Thursday, October 30, 2008

镜头后面的头



摄影达人堃堃跟我说过“照片照得如何,不是取决于相机和镜头,而是取决于镜头前面的头和镜头后面的头”。

现在我懂了……

Tuesday, October 14, 2008

再刻荒村夜话

嗯,写作业郁闷了,来发泄下。

再过2个小时这一部分的实验就结束了。我花了一个星期左右的时间比较清楚的理解了我们实验室大概是做什么的。行政上说,我们实验室在地球物理系下面。但是和正统的球系不一样,我们实验室本质上还是做固体物理实验的。

地球上到处是岩石,虽然看上去很像一堆乱七八糟的东西混在一起,但是它们绝大多数是由晶体构成的(即使沉积岩放大了也能看到晶体)。有的时候,虽然急速冷却会造成玻璃状物质,但是形成的固体里面也是晶体居多,只是形成的晶粒很小(比如海底的枕状玄武岩 pillow basalt,是岩浆遇到海水淬火形成的,但是只是晶粒比较小而已)。

说到岩浆,地球是地壳,地幔和地核组成的,其中地壳是固体,不然否则我们很快就掉到地底下去了。可是跟我以前以为的不一样的是,地球最深层的地核(其实是内核)是固体,因为那个地方压强太大。即使是地幔,大部分也是固体,不过是玻璃态的,还能对流(插一句,据说地球里面绝大部分水不在海洋,而是在地幔里)。似乎地球只有地核的外部(外核)是液态的。这主要是由于地壳地幔与地核的成分不同。地核几乎全是铁镍。地壳和地幔则是各种金属的硅酸盐或者氧化物(硅酸盐本质上只是金属氧化物和二氧化硅相互掺起来罢了)。铁镍密度大,所以就沉到地球的内部去了,留下氧化物和硅酸盐漂在上面。

传统上研究地球内部是没有办法的,只能从各种痕迹猜测。钻井是没有用的,首先是贵重的仪器,即使钻下去在高温高压下也会化掉,其次,我们根本没有手段达到10公里以上的钻孔。一个有效的手段是地震波。在地球内部矿物的成分和物态发生变化时,地震波的速度会发生改变。通过这种手段可以猜测在那个位置发生了什么变化。但是如果要做到这些,一个很重要的的因素是明确的知道不同温度压强下特定物质的地震波速度(其实也就是声速,因为地震波就是地球内部的物质的机械振动,和声音是一样的)。

可是这样就有了一个问题,我们根本没有手段达到那么深的地方,怎么可能具体的测到那个位置那种温度压强下的声速呢?解决这个问题的一个方法是用人工模拟那种条件下的环境,于是一种叫钻石砧Diamond Anvil Cell的东西就出场了。这就是我要做的东西。

钻石有两个很重要的特点。首先,它很硬,能承受很大的压强(虽然同时它也很脆,急速的压强变化可能导致它直接碎掉,我就目睹了好几回了);其次,它有很好的光学特性,对很多波段的光或其他电磁辐射是透明的。这一点很重要。石英晶体或者是氧化铝晶体也很硬,但是它们对特殊的光有吸收,所以不能用来做谱学探测。

如果要用钻石砧做实验,首先去买两块钻石,就是结婚戒指用的那种(老板说,成本是1k刀左右一颗),然后把上面的尖角磨平,留出几百平方微米的面积,这样,只要在中间夹上样品,再用螺丝稍微给一些压力,就能达到很大的压强。然后把这些样品拿到需要的光谱去做测试,如果需要高温,可以用红外波段的激光照射,它可以透过钻石达到样品上,然后形成高温。测试完以后,再很缓慢的把压强减下来,这样如果操作的当,钻石还能重复使用。但是我们现在实验用的压强多半是100GPa量级,大概相当于下地幔和上地核的压强,所以,钻石在减压过程中多半会损坏(据老板说,十个里面要碎八九个……)。以前我在纳米中心做实验的时候,觉得喷金什么已经很烧钱了。现在显然是发现还有更烧钱的东西。

钻石砧做测试的谱有很多种,有人做红外或者光学波段的电磁波吸收谱,而我们实验室主要集中研究Mossbauer谱。我个人觉得这个还是很巧妙的,因为在地球的各种矿物中,铁是一个很重要的组成元素,而铁-57又是做Mossbauer谱最好的一个元素,因为它有最大的散射截面。

Mossbauer谱是一个很常见的谱,其实就是核的共振吸收谱,能够很好的检测超精细相互作用,比如核电四极距,核的自旋-轨道耦合效应等等。传统的铁-57Mossbauer谱需要钴-57放射源的14.4keV辐射,但是这样有一个很不好的问题:Co-57的半衰期大概是150天,这样一来,要想正常做实验,至少一年要换一个放射源,不然强度衰减很快。我大四在北大做近代物理实验的时候,做过这个实验,当时奥运会之前,放射源严格管制,三年不许换。我是学期初做的,放射源已经很衰了,我大概是周三做,要到第二天才能收到数据(本来应该一天就可以的)。学期末的时候,似乎是昕航也不知道是彭仂做了同样的实验,据说就要周一做,周五拿数据了。听说第二年这个实验取消了,因为实在没有放射源……现在为了解决这个问题,我们就跑到这荒村Argonne来,用它家的同步辐射做实验。

插一句话,据说实验室最贵的东西不是钻石,而是制备样品需要的富集的铁-57。

同步辐射就是加速器中的电子高速圆周运动时候,能够在运动的速度方向产生很直很强的一束硬X射线。我们用很精细的单色仪把其中14.4keV附近的成分滤出来。虽然只占原辐射的很多很多分之一,这个强度也比传统的放射源强很多了。用这种射线做Mossbauer谱,然后Fe-57核能吸收一定频率的辐射,再经过短暂的弛豫过程将其释放出来。这个释放的辐射会最终被整个晶格吸收,转化成热声子,而声子其实就是晶格振动(也就是声波)的量子化,这个过程可以测出声子谱,而知道了声子谱,处理一下就能得到声速了。这个真的是一个固体物理的过程。

我个人觉得一个有意思的事情是:因为Mossbauer谱能反映核的自旋-轨道耦合超精细相互作用,通过测量高压下的Mossbauer谱,有人发现在~60GPa下,FeO和MgO的混合晶体中,Fe元素的电子自旋状态会发生改变,似乎是从低自旋态激发到高自旋态。这个就很有趣,因为自旋是和原子的磁性相关的,而现在对地球磁场的产生根本没有合理的解释。我之前问过一个师兄,据他说,现在对地磁场的比较有人认同的解释是:地核在自转的过程中,地核里面的铁元素中的核的运动速度和周围电子云的运动速度不一样,所以就产生了环形电流继而产生磁场。我当然是觉得这个解释很牵强。不过也很难说,因为现在根本没有人能观察到那么高的压强下铁到底有什么性质(不是据说在木星上,高压下连氢都能处于超导态,所以才能产生磁场……)。所以在这个方面要是继续做,也许会有些稀奇古怪的发现。

顺便说一句,早晨写到10点,发现有些空时间,恰好Argonne到UChicago有免费大巴,我就一冲动,跑过去了。见到了孙冰同学还有马志莹同学,聊天很开心。不得不感慨下密歇根湖和芝大确实很漂亮。芝大里面都是红叶和哈利波特风的大房子,比蔽校西班牙风的小矮楼拉风多了。而且看到满地的黄叶,不禁想起这个时候北大应该也是黄页纷纷了吧。马志莹同学说,头天她去买菜,在地铁路遇黑人打劫,问她要钱她还没听懂,还Pardon一番,幸亏有黑人姐妹出面相救。我刚庆幸一番Pasadena治安还算良好,回来就收到学校邮件,说有人昨晚回家被枪击了,中两弹,不过最后居然回了家喊校警队救了一命。看来感恩节一来,歹徒们也要攒钱过节了。大家还是多保重,小心为上。

Oct 14
Argonne IL

Friday, October 10, 2008

荒村夜话

就在蔽校还没有开学的某个星期三的早晨,老板突然给我发邮件说:这个十月我们去Argonne做实验,你也去!还罗列了很多好处,比如熟悉实验仪器为今后自己的实验做准备之类。然后我就很开心的从了,其实不得不承认,我想来有很大一部分原因是想到东北去玩。

当然这个想法现在可以证明是非常错误的了。前天飞机飞到芝加哥某个叫做中途岛的机场上空的时候,我还感慨了一下:芝加哥果然是大城市,高楼真多,比洛杉矶县县城多多了。下了飞机,居然开来一辆加长林肯接我们(后来听说IL这边的出租车都是这样的……)。不过随后林肯沿着55号公路一阵狂飙,接着开上一条没有路灯的乡下公路,然后又七拐八拐把我们拉到一个布满树林的丘陵里,路边时不时还能看到废弃的岗楼,我突然觉得自己应该跳下车先找个游魂野鬼打死,然后就能像寂静岭或是生化危机一样获得武器,装备,金币还有经验值了。

正在想办法倒两个小时的时差的时候,车突然停在一个隐蔽的门岗前面,接着有保安拿探照灯照进来,然后还查了护照。然后就给了我一张做的非常丑陋的临时身份证明。于是我就进去了。Argonne唯一的特点是地广无人。我被拉到一个三层的很大的楼里面放下来,然后发现除了我们一起来做实验的两个人,楼里就只有一个面无表情前台服务员似乎还是活人了。晚上去APS的同步辐射报道,发现直径一公里左右的同步辐射实验室,做实验是要骑一种很卡哇伊的三轮车的……我骑车绕实验室一周,没有发现别的活人。

第二天早晨去人事部报到顺便参加培训,结果跑到人事部大楼一看,一个人都没有,连前台都没有人……我心想这咋搞。结果看到迎面来了一个路人甲,似乎是中国人,我跟他支吾了半天想问问在哪里报道,那个人pardon了几下以后问我:你会说中文么,是不是新来的博士后。我心想我有那么老么,可是后来他把我带到人事部仅存的一个活职员那里,接着给我照了一张相做了新的身份证,我拿到照片以后觉得那位同胞问我是不是博士后还真是抬举我了。

中午去食堂吃饭,结果发现东北就是不一样,食堂比我们那村里的饭店还高级。上来先给若干副大小不一的刀叉,接着又给我一个很正式的菜单。我心想拜托我是一个人来食堂吃饭,不是跑过去泡妞显摆烧钱,搞毛啊。然后一看菜单更囧了,居然都是什么三明治汉堡鸡翅之类。干,吃个汉堡要个毛的刀叉啊,何况还要7刀。再后来,当他们把汉堡端上来的时候,我才知道原来在这地方汉堡是可以当菜吃得……当我费了半天劲,发现吃掉的汉堡还不能补充使用刀叉消耗的能量时,最后还是决定顶着服务员匪夷所思的目光上手啃了,边啃边盯着服务员看,顺便用无辜的眼神告诉他:咱是加州乡下来的,只吃过墨西哥菜,俺们那旮瘩都用手吃的。

吃饱后就跑到实验室找老板谈话。老板和蔼可亲的对我说,你刚来,赶快回去休息吧,睡到晚上八点再来。我的眼眶霎时就湿润了:老板如此善良,情何以堪啊!接着老板说:实验很重要,我们三班倒,这十天你值夜班,时间从晚上八点到早晨八点。

荒村有两大特点:一是动物多,来了两天,没见到活人,上班路上倒是经常见到两家野鸭还有一家浣熊,据说这里还有一种特殊的白尾巴鹿,以至于公路上小心自行车出没和小心鹿出没的招牌是一起的。第二是各种没有信号,实验室里面手机和无线网没信号可以理解,因为整个加速器几乎全是金属做的,寝室里也什么信号都收不到似乎就只能用这地方实在太偏来解释了。要打电话只能跑到附近的一个小山岗上去把手举起来做招雷劈状才行。这个时候才觉得中国移动比什么AT&BT之流好太多,至少我在国内还没见到在哪没有手机信号的。

去实验室做实验要过安全考试。之前在网上读得他们的讲义,净是些什么“Argonne工作一年收到辐射折寿相当于在纽约活20天”“男人一辈子不结婚折寿3600天,在Argonne工作一辈子受辐射折寿少于10天”之类。还有考试,一开始很吓人,都是些什么“必须要答对80%的题才能通过”之类。一开始我还很害怕,心想这得考多细啊,于是就把讲义看了好几遍。考试时发现题目只有一道,选择题:发给你的讲义读了么:A读完了B没读完。前四门考试都是这样的,第五门考试我想都没有想就直接去裸考了,结果发现有十道题,都是些什么“核泄漏警报声是什么样子的”“飓风来了跑到E123,A465还是C987房间”之类的。于是我就挂了,重考。

晚上值夜班开始做实验,我和老板一起搭班,因为似乎是规定不准一个人单独做实验。老板是个刚毕业不久的女AP,简直是个小女生。我倒个液氮她还掏出个相机照来照去,很神奇的样子。到了凌晨两个人都饿得扛不住了,结果老板跑到自动售货机前面买了两包小熊饼干,一人一包。好像和组里另外一个女生一起做实验的时候还小声八卦系里面某男生。老板是芝加哥人,伊利诺伊大学昌平分校(就是堃堃他们学校)毕业的,又在Argonne做的post,在伊利诺伊州开车都不用GPS,很拉风。总之现在看来,老板还是不错的,要好好跟她混。

10.12凌晨
Argonne, IL