光與凝聚態(tài)物質(zhì)相互作用的許多種形式已經(jīng) 為人們所知曉，例如光致發(fā)光，基于固體的各種非線性光學(xué)現(xiàn)象(拉曼散射、二次諧波產(chǎn)生、空間 自相位調(diào)制等)，激光在晶體中產(chǎn)生相干態(tài)聲子、 磁振子，等等。雖然光與凝聚態(tài)物質(zhì)相互作用的 研究可以追溯到很久以前，激光的發(fā)明也已經(jīng)有50多年的歷史了，但是由于新材料的出現(xiàn)，仍然 有新的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，這里介紹的光致發(fā)聲就是這 樣一種新的物理現(xiàn)象。如同光致發(fā)光是在光的激發(fā)下固體發(fā)出光一樣，光致發(fā)聲是在光的激發(fā)下固體發(fā)出聲音。

　　光致發(fā)聲這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與另一種物理 現(xiàn)象--電致發(fā)聲--有一定的關(guān)聯(lián)。2008年，范守善、姜開利等利用碳納米管長絲平行排列形 成薄膜，發(fā)現(xiàn)該薄膜兩端通電后可以發(fā)出音頻聲音，這使得柔性的透明的揚(yáng)聲器這一夢想得以 成真，并引起了廣泛的關(guān)注和興趣。2011年，任天令等在多層石墨烯片中首次觀測到了二維材料 體系的電致發(fā)聲現(xiàn)象，繼而又在單層石墨烯中實(shí)現(xiàn)，極大地拓展了傳統(tǒng)聲源器件的應(yīng)用空間，引起了廣泛的關(guān)注。基于這樣的研究背景，趙繼民等設(shè)想，如果能夠?qū)崿F(xiàn)光致發(fā)聲，則是非 接觸的發(fā)聲，是一種新的物理現(xiàn)象。但是，(1)光致發(fā)聲在一般材料中很弱，此前很少有關(guān)于光致發(fā)聲在固體材料中被觀測研究的報(bào)道，也未在上 述低維碳材料中被發(fā)現(xiàn)過；(2)關(guān)于光致發(fā)聲的物理機(jī)制是光-聲過程還是光-熱-聲過程尚不清 楚，也沒有任何實(shí)驗(yàn)證實(shí)；(3)在電致發(fā)聲或光致發(fā)聲實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)對聲波的相干調(diào)控更加困難，此前實(shí)驗(yàn)上還沒能實(shí)現(xiàn)。 最近，經(jīng)過深入研究，趙繼民等在多層石墨烯片中發(fā)現(xiàn)了光致發(fā)聲現(xiàn)象：當(dāng)采用幾千赫茲 重復(fù)頻率的超快激光脈沖激發(fā)多層石墨烯片時，人耳能清晰地聽到發(fā)出的音頻聲音(圖1)，該聲音 的強(qiáng)度隨激光功率大小線性變化，這是國際上第 一次在石墨烯材料中觀察到這一現(xiàn)象，為光能轉(zhuǎn) 化成聲能方面的應(yīng)用開辟了道路。

圖1 光致發(fā)聲現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。激光脈沖在石墨烯片層上通過電子—聲子相互作用產(chǎn)生熱，熱再傳遞給空氣分子產(chǎn)生聲波。紅色代表激光脈沖，橙色代表熱梯度，藍(lán)色代表聲波及其傳播。光致發(fā)聲的物理機(jī)制為光—熱—聲效應(yīng)研究快訊

　　為了深入研究光致發(fā)聲的物理機(jī)制，他們需 要設(shè)計(jì)一個能夠區(qū)分熱效應(yīng)和光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。這并不容易，在很多研究中，熱效應(yīng)和光效應(yīng)的區(qū) 分都是一個關(guān)鍵的具有挑戰(zhàn)性的物理問題。趙繼民等設(shè)想從時間尺度上進(jìn)行區(qū)分：在固體中最 先響應(yīng)光的是電子等載流子而非晶格原子，它們帶電荷，比原子輕，在飛秒量級的時間尺度(相干 階段)即可到達(dá)激發(fā)態(tài)。在與超快激光作用下，電子的溫度可以達(dá)到一千攝氏度以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶格的溫度，這樣的高溫電子，冷卻的途徑主要 有兩種可能，將能量傳遞給晶格原子或環(huán)境氣體分子。如果是前者，先把能量通過電子-聲子散射傳遞給熱聲子(即產(chǎn)生熱效應(yīng))，再由這些熱聲子將能量傳遞給空氣分子，則是光-熱-聲物理機(jī)制；如果是后者，直接把能量傳遞給空氣分子，則是光-聲物理機(jī)制。這兩者可以從響應(yīng)時間的尺度上加以區(qū)分：典型的電子-原子相互作用的時間尺度在皮秒量級，而通常熱效應(yīng)中的熱平衡、熱擴(kuò)散則在納秒-微秒量級以上。