陶鎮生   

教授/Professor 

密歇根州立大學博士/Ph.D.(2014), Michigan State   University, U.S.A. 

主要經歷:(Experiences)

2005復旦大學學士 

2008復旦大學碩士 

2014美國密歇根州立大學物理及天文系博士 

2014-2018美國JILA，科羅拉多大學博得分校，Kapteyn-Murnane組博士后 

2018-至今復旦大學物理系研究員、博士生導師  

Zhensheng Tao 

Professor 

Ph.D.(2014), Michigan State University, U.S.A.  

教學與研究領域:(Teaching affairs for foreign faculty) 

研究領域與研究興趣：實驗光學、凝聚態物理。主要興趣在研究光與物質相互作用（特別是強光場條件下）的超快物理過程。我們用實驗室尺度強場飛秒激光產生太赫茲、深紫外及軟X射線激光，通過光譜學及電子譜學方法研究固體材料的在超快激光激發下的非平衡態動力學過程。研究的時間尺度涵蓋阿秒\飛秒尺度的電子及自旋動力學，至皮秒\納秒尺度的結構動力學。我們的研究目的是為了理解在光與物質相互作用下非平衡態過程的物理本質，探索物質在極端情況下產生新物質態的可能。

Research Interests:

Experimental optics   and condensed matter physics. Our main research interest lies in the field of   ultrafast material dynamics induced by light-matter interaction (especially   under the strong-field limit). We generate coherent light covering terahertz   to EUV and soft X-ray wavelengths using table-top femtosecond lasers. Through   optical and electron spectroscopies, we investigate material dynamics ranging   from electron and spin dynamics on attosecond\femtosecond timescales to   structural dynamics on picosecond\nanosecond timescales. The purpose of our  research is to understand the underlying physics behind the laser-induced   non-equilibrium material dynamics and to investigate the exciting opportunities   of manipulating material states using optical methods.

發明公開：

[1]陶鎮生, 劉昌勤, 吳義政, 田傳山, 張盛, 王順甲. 一種基于線柵結構自旋電子器件的圓偏振太赫茲輻射裝置[P]. 上海市: CN115133378A, 2022-09-30.

[2]陶鎮生, 田傳山, 朱冰冰. 一種超連續譜產生裝置及超連續譜產生方法[P]. 上海市: CN111755939A, 2020-10-09. 

發明授權：

[1]陶鎮生, 田傳山, 朱冰冰. 一種超連續譜產生裝置及超連續譜產生方法[P]. 上海市: CN111755939B, 2022-10-18.

發表論文：

榮譽獎勵：

1、2018年入選上海市“東方學者””特聘教授。 

2、德國洪堡學者。

3、國家級青年人才。

——記復旦大學物理學系教授陶鎮生

 2024-04-01

自古以來，人類對于客觀世界的認知，首先依賴于人類身體的感覺器官對世界的感知，而認知的絕大部分來自視覺。從某種意義上來說，光便是我們體驗這個世界的基礎。千百年來，人類也一直在尋找一種能夠更好對光展開利用的方式。

▲陶鎮生

20世紀60年代，激光器的發明使光學領域發生了翻天覆地的變化。激光，被形象地稱為“最亮的光”“最準的尺”“最快的刀”。相較于普通光源，它具有更好的相干性與偏振度，同時具有單色性、方向性好、亮度更高等特點。利用激光人們可以有目的地控制光和物質的相互作用過程。在此之后，超快激光的誕生，更加引領了激光在超強、頻率擴展、相干合成等方面的發展。在這一科研成果的基礎上，科學家們通過不斷開拓，創造了超快激光的飛秒時代。這種光源極具特殊性，可以通過實驗產生一些在日常生活中無法產生的物態。而如何利用超快光場的相關特點進行物理探測、物態調控，便是復旦大學物理學系教授陶鎮生多年來科研攻關的重點。

為者常成，行者常至。在追“光”的道路上，陶鎮生始終是一個求真務實的探索者。

興趣為馬，開啟科學的大門

愛因斯坦曾說過：“好奇心是科學工作者產生無窮毅力和耐心的源泉。”從小，陶鎮生對于自然界的事物就有著強烈的好奇心，對于相關現象背后的本質規律也有著極大的探索欲望。判天地之美，析萬物之理。物理給陶鎮生認識這個世界打開了一扇新的窗口。

以興趣為馬，陶鎮生通過不懈努力，最終在高考時以優異的成績順利考入復旦大學物理系，自此開始了全新的人生逐夢之旅。在大學4年的時間里，他學習到了更加豐富的物理領域知識，科學的種子逐漸開始在他的心中萌芽。研究生階段，陶鎮生開始真正接觸到光學領域的科研工作。深入這一領域之后，他逐漸發現光學領域的科研成果在光學儀器、通信、醫學、生物、納米制造、材料等領域有著極為廣闊的應用前景。這些發現，讓他感到異常的興奮，深入光學領域開展科研探索的決心也愈加強烈。

研究生階段，陶鎮生主要圍繞“半導體量子點的發光特性”這一課題展開探索，在導師陸昉教授的指導下，他親手搭建了一套低溫熒光探測裝置，這也是他從事科研工作以來搭建的第一個實驗裝置。至今，他仍清晰地記得實驗裝置搭建完成時自己興奮的心情。“當我看到通過自己搭建的實驗裝置得到的一系列實驗結果，然后通過實驗數據一點點去理解量子點的熒光是怎樣產生的，這由衷地讓我感覺到物理實驗和物理研究的魅力。”陶鎮生說。

因為研究生階段的課題涉及很多凝聚態光和物質的相互作用研究，陶鎮生對這一方向產生了濃厚的科研興趣。為了進一步開展探索，他決心“走出去”接觸更多這一領域的學術前沿。在理想的驅使下，陶鎮生漂洋過海，來到了美國密歇根州立大學物理及天文系攻讀博士學位，并在這一階段對自己的研究方向進行了拓展。

這一時期，陶鎮生開始應用超快電子衍射技術研究凝聚態材料在激光激發下的超快結構相變過程，在這一領域積累了豐富的科研經驗，也讓他對研究有了全新的思考。他發現：因為光和物質相互作用往往率先發生的是光子對物質中電子態的激發，而利用超快電子束去探索光激發材料后的晶體結構變化比較片面，不能全面理解凝聚態材料在光激發之后的變化。而為了更加全面地了解這一變化，博士畢業后，陶鎮生選擇進入科羅拉多大學博德分校進行博士后研究。在那里，他師從于阿秒物理領域著名專家瑪格麗特·穆楠（Margaret Murnane）和亨利·卡普坦（Henry Kapteyn）教授，主攻凝聚態材料電子態阿秒動力學研究。這一時期，他的科研方向有了更大的拓寬，研究內容也更具豐富性，這一切都為他今后的科研之路奠定了全新的基礎。

求學海外，滿載收獲的創新之旅

履歷上的一連串閃光點，記錄著陶鎮生在科學研究道路上留下的足跡。不管身在何處，他從未忘卻自己開展科研創新的初心。“雖然碩士、博士學習及博士后研究階段我的研究方向都不太一樣，但是所有的研究都是圍繞著超快光和物質相互作用這一領域而展開的。”陶鎮生說。他很慶幸，在每一個研究方向上，都能得到領域內名師的指點，接觸到最先進的科研設備，而這些通過自己親身經歷得到的科研經驗，便是陶鎮生人生之路最寶貴的財富。

近年來，超快光學技術得到了飛速發展，有許多新的非平衡態下的奇異現象被實驗發現。但是，由于這些現象的非平衡態的復雜本質，對相關現象的理論解釋通常非常困難。并且，在對超快非平衡態過程的理解中，物質平衡態下的性質也往往被忽略了。長期以來，平衡態下凝聚態材料的性質對于解釋材料超快電子和自旋動力學過程具有十分重要的指導意義。而這一領域，便是陶鎮生及其科研團隊多年來主攻的科研方向。

鎳是一種鐵磁性金屬元素，具有耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、延展性好等優良性能，廣泛用于冶金、化工、航空航天等領域，是制備不銹鋼、高溫合金、動力電池等材料的重要原材料，屬于關鍵戰略金屬資源。至今陶鎮生仍記得自己做的最有成就感的一項工作，就是在博士后階段后期研究的鐵磁金屬鎳在激光激發下的飛秒退磁過程。

在這一研究中，陶鎮生和團隊利用超快角分辨電子能譜的方式進行了兩方面探測，一是探測與鎳鐵磁性質相關的能帶變化，另一方面探測電子溫度的變化。通過一系列實驗研究，他們成功發現了特定激光功率以上的緩慢回復動力學和比熱容發散兩個臨界現象，以及小于25飛秒的能量由電子體系流入自旋體系的超快過程。這項研究第一次證明了鐵磁金屬鎳的退磁過程是一個非平衡態下的超快相變過程，并與平衡態下相變建立了熱力學上的聯系。除此之外，他們還利用超快泵浦探測了不同自由度演化過程的分離，對材料磁學性質提出了新的理解。

在這一研究工作的基礎上，陶鎮生和團隊又開始了進一步科研開拓。這一次他們將研究的關注點放在高次諧波阿秒脈沖序列與角分辨電子能譜的結合研究上，進一步探測從金屬鎳表面光電子發射的阿秒時間動力學。

眾所周知，阿秒是一個比飛秒還要短3個量級的時間尺度，1阿秒等于10-18秒。到底有多短呢？1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈，而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。而阿秒脈沖的產生機理來自超短超強激光與物質極端非線性作用中的高次諧波產生過程，高次諧波在時域表現為間距半個光周期的阿秒脈沖序列。

角分辨光電子能譜是研究材料電子結構的最直接和最有力的手段之一。它在固體材料（比如拓撲材料、二維材料、高溫超導體、重費米子材料等）的電子結構研究中被廣泛應用，能夠為相關物理研究提供許多關鍵信息。

通過高次諧波阿秒脈沖序列與角分辨光電子能譜的結合，陶鎮生團隊第一次用實驗證明了材料的高能非占據態對于電子阿秒運動的關鍵影響。同時，他們還觀測到阿秒發射時間和電子發射角度的依賴關系，進一步證明了能帶色散對阿秒電子動力學測量的影響。“我們所做的這項研究工作，最大的貢獻就是證明了阿秒電子動力學測量與金屬能帶之間的關聯性，在此之前也有人做過類似的實驗，得到過相關的結論，但是實驗數據不是很準確，而我們所做的工作在當時是最準確的一個結果。”陶鎮生說。

功不唐捐，玉汝于成。令陶鎮生驕傲的是，他和研究團隊所取得的這些研究結果成功證明了材料平衡態下性質對于理解超快非平衡態演化的重要性。同時，超快測量也為理解凝聚態物理提供了新的工具。這一切都為他們后續工作開展奠定了堅實的基礎。

不忘初心，回國開啟追光之旅

2017年是陶鎮生科研人生的轉折點。那一年，他受國內多所高校的邀請，回國進行訪問交流。這次科研交流，讓陶鎮生對國內的科研環境有了全新的認識，并深刻地感受到國內高校這幾年在科研水平方面的巨大提升。在這一背景下，陶鎮生回國的想法也愈加強烈。“當時我就感覺到這是一個非常好的契機，可以回國做一些自己想做的科研工作。”他說。

2018年，陶鎮生成功入選國家級高層次人才計劃和上海市“東方學者”計劃，來到復旦大學物理系擔任研究員、博士生導師。復旦大學十分支持青年科研人才的成長，給科研工作者創造了良好的科研環境，提供了先進的科研設備，這一切給了陶鎮生開展科研創新更大的底氣。回國后，他對過往科研工作進行復盤，將主要研究方向放在用實驗室尺度強場飛秒激光產生太赫茲、深紫外及軟X射線激光，通過不同波段光譜學方法研究固體材料在超快激光激發下的非平衡態動力學過程，并取得一系列科研進展。

太赫茲輻射是一種介于紅外和微波波段的電磁波，在安全檢測、無線通信和生物分子檢測等技術領域具有巨大應用前景。產生和操縱寬帶手性太赫茲波的能力，對太赫茲波在材料成像、太赫茲傳感和醫療診斷方面的應用有著至關重要的作用。

2021年年底，陶鎮生所在的復旦大學研究團隊通過不懈攻關，成功提出并開發了一種新型的自旋電子-超表面太赫茲發射器，能夠以一種高效和高度靈活的方式產生和操縱手性太赫茲波。相關研究成果發表在《先進光子學》雜志上。“這項工作結合了超快光學、自旋電子學和超構表面技術，為高效產生和控制太赫茲波開辟了一條新途徑。將超寬帶、高效自旋電子學太赫茲發射器和具有預先設計功能的超表面相結合，可以產生更多類型的太赫茲發射器件，用于產生不同的時空太赫茲波形。”陶鎮生說。

不積跬步，無以至千里。在之前科研成果的基礎上，陶鎮生團隊拾級而上——又基于自旋電子學-超構表面技術設計了一種新型的多功能調控的寬譜太赫茲光源，并成功證明了寬譜圓偏振太赫茲輻射的產生，以及對其偏振狀態和發射波前具有靈活調控能力。值得一提的是，這一方法有望實現更多復雜的太赫茲光場產生與調控，包括太赫茲渦旋場、超環形場等。相關研究成果發表在《納米快報》（Nano Letters）上。
 

▲團隊合影

陶鎮生團隊之前的科研工作不僅很大程度解決了圓偏振太赫茲光產生與手性調節的技術復雜性問題，也為他開辟了新的科研方向。

2023年，陶鎮生成功申請了國家自然科學基金項目“應用時間分辨太赫茲圓二色光譜學方法探索手性聲子的物理特性及瞬態光激發行為”。在這一項目中，他和團隊提出應用時間分辨太赫茲圓二色光譜學方法探測凝聚態材料中聲子的手性特征及其瞬態光激發行為，以更好地豐富凝聚態材料的調控手段，拓展對凝聚態理論的理解。值得一提的是，目前國內外還沒有這方面技術發展和實驗結果的報道，陶鎮生團隊的工作尚屬首創。

無懼挑戰，緊跟前沿的創新之路

青衿之志，履踐致遠。回首以往的科研之路，每走一步，都是一個全新的嘗試。因為相較于其他科研領域而言，超快光學領域的發展尚未完全成熟，當科學家在發現一個新的實驗現象時，經常缺乏可以借鑒的科研經驗，因此如何對相關現象進行理解便成為十分困難的問題，進而很多研究工作開展得不是很順利。“最近，我們在研究電子在凝聚態材料中的運動行為，其中就涉及弗洛凱態退相干的物理機制，相關工作我們就做了將近兩年的時間。”陶鎮生說。他承認，在科研探索的過程中是需要一些運氣的。但運氣之外，他認為科研工作者身上具備腳踏實地攻關、不懼困難挑戰的精神更加重要。

一路走來，陶鎮生十分感謝教育他、培養他的導師們。在他們的身上，他學習到了如何成為一名更加包容的科研工作者，更體會到了身為一名師者的責任與擔當。如今，作為一名研究生導師，他目前也承擔著課題組學生的培養工作，并在多年的教學實踐中形成了一套屬于自己的人才培養模式。相較于一板一眼地教學，陶鎮生更加崇尚從學生的興趣出發，培養他們的自主學習習慣。從教以來，他所領導的課題組，每周都會舉辦一場文獻組會，讓學生們將自己近期看到的感興趣的論文進行分享，讓他們從自己的興趣點出發，更好地開展自主科研工作。

征途漫漫，唯有奮斗。在陶鎮生看來，在超快光學研究領域中，光源仍是一個十分重要的工具，它的發展決定了領域內后續相關探索性研究的開展。未來，在研究光與物質相互作用（特別是強光場條件下）的超快物理過程的基礎上，他還將與校內外理論和實驗研究團隊保持密切的合作，將自己的研究向光源等方面進行拓展，比如強太赫茲源和高亮度高次諧波光源等。

眼里有光，自向遠方。以初心為伴，陶鎮生還將步履不停前行在這條科研追光的道路上。

來源：科學中國人 2024年第3期