由一个电源上电波动案例看LDO的PSRR
有个电池供电设备，电池通过一个机械开关通断给单板供电，板上有一路LDO输入是电池常供电。发现在开机，即拨动机械开关时，LDO输出就会有如下图较大波动。
测量发现开机时由于上电电容充电大电流及电池到单板线缆较大的寄生电感原因导致该LDO的输入就有类上图大幅度的振荡，振荡波形和输入较一致，但幅值大很多。也就说明，是输入的波动导致了输出的波动。为什么这里输出波动变小了，但还是存在？又该如何解决该问题？
这里要引出LDO一个重要参数：PSRR，Power-supply ripple rejection，电源抑制比，表征对输入波动，噪声的抑制能力。
PSRR = 20log[(Ripple(in) / Ripple(out))]
一般规格书是这样写的：
在描述的工况情况下，对于100KHz的输入波动，在输出端是1/1000。如果输入波动峰峰值是1V，那么输出端波动峰峰值是1mV。
PSRR并不是一个固定值，是和频率、负载电流有关的。看几个PSRR VS Fre图：
大部分LDO PSRR随着频率增加是下降的，也有先下降再上升再下降，基本上对于MHz级别的波动抑制是比较差的。选LDO时要特别注意是否有某些特定频段的噪声需要特别注意抑制的，选择在对应频段PSRR较高的LDO，而不是选一个标称抑制比很高但在需求频段很低的。
回到这个案例，测量输入输出幅值，对照PSRR一算，基本对得上。
针对这个问题有一些对策：
选一个在输入振荡频段抑制比高的的LDO，80dB的，倍数能到10000倍；得加钱；在LDO输入增加RC/LC滤波，将输入的波动减小，那么自然输出波动也会减小；在输出增加RC/LC滤波，直接滤输出；增加波动频段阻抗低的电容；中德学者首次发现超快卡皮查狄拉克效应，能直接观测电子相位信息
近日，浙江大学林康教授和合作者，首次发现了超快卡皮查-狄拉克效应，相关论文发在 Science 上。
图 | 左起莱因哈德·多纳（Reinhard Dörner）、林康（来源：资料图）
这一发现为研究电子性质开辟了全新的技术手段，让人们可以更深入地探索电子行为，比如可以利用卡皮查-狄拉克干涉仪来作为电子波包相位的精确诊断工具。
（来源：Science）
同时，本次成果也为学科交叉提供了新见解，预计将在电子衍射成像和自由电子激光等领域发挥作用。
通过这一方法，有望在电子运动的本征时间尺度上追踪电子的相位演化，并通过电子相位信息开发精度更高的成像技术。
此前，在电子衍射成像领域，需要利用电子束衍射样品，通过衍射图案反演出样品的结构信息。
而现在，借助超快卡皮查-狄拉克效应，将能进一步通过驻波脉冲，针对电子的相位信息进行读取或整形，从而为材料科学和纳米技术的发展提供新的诊断工具。
在自由电子激光领域，这一效应可被用来调控电子束的性质。比如，驻波脉冲可被用来当作电子束的分束片或光栅，从而实现电子束的分束，进而增加自由电子激光多用户线程。
总的来说，超快卡皮查-狄拉克效应不仅为观测和理解电子的行为提供了一种全新手段，还为其他领域的应用研究和技术发展带来了新的机遇。
林康表示：“最近，我收到了电子显微成像领域的报告邀请，其他学者很好奇本次发现会和他们的领域交叉出什么新奇的结果。”
而相信随着技术的不断进步，这一效应将发挥出更重要、更深远的作用。
最简单、最重要的基本粒子之一
据介绍，电子——是世界上最简单、同时也是最重要的基本粒子之一。有趣的是在微观世界里，电子的行为更像是一种波，就像石头在水面激起的波纹一样。
当对电子波动行为进行描述时，有一个至关重要的参数——那就是相位。
科学家们长期以来一直面临着一个挑战：如何直接观测电子的相位。
电子的相位是描述电子波动性质的关键信息，对于理解许多物理现象都至关重要，比如超导。因此，实现对于电子相位的直接观测，一直是科学界的迫切需求之一。
要想测量电子波函数的相位，就必须构造一个干涉仪，通过一个已知的参考波与信号波发生干涉来读取。
但是，当使用干涉仪针对电子相位进行测量时，也有可能改变电子相位。需要说明的是，这里的“干涉仪”是广义上的测量方案，并不是狭义上的具体仪器。
简单来说，干涉仪本身对电子波函数的影响越小，那么它测得的相位信息就越准确。目前，绝大多数的干涉仪都是使用行波构造而来。
也就是说，通过几束同向传播的激光来构造干涉仪，通过光与电子的相互作用来读取电子波函数的相位信息。
2023 年诺贝尔物理学奖授予了研究阿秒物理的学者。其中一个技术发明便是构造了 RABBITT 干涉仪，来测量电子在能量域上的相位，从而得到电离延时。
审稿人：“这真的非常酷！”
而针对超快卡皮查-狄拉克效应的研究，始于林康于 2019 年在德国法兰克福歌德大学的博士后工作。
当时，他的博后导师 Reinhard Dörner 教授希望林康能“重启”这项研究。
因为早在 2014 年，Reinhard Dörner 团队就曾开展过尝试，然而一直没有取得突破。
当时，课题组的设想是直接用驻波脉冲产生并衍射电子，但却并没有看到衍射条纹。
林康接手这个课题之后，刚开始依然沿着这个思路进行了尝试，结果可想而知也失败了。
由于没有头绪应该如何改进，他暂时调整研究方向，开始了强场非偶极效应的相关研究。
非偶极效应这个课题虽然和卡皮查-狄拉克效应的物理完全不同，但是这两个课题用的却是同一套实验系统：即飞秒驻波符合测量谱仪。
非偶极效应，研究的是行波电离产生的光电子的非偶极效应，但是需要利用驻波电离的光电子来标定零点。
而卡皮查-狄拉克效应研究却完全是另一回事，即驻波被当作光栅来衍射电子波。
而在此期间，林康对设备的操控能力得到了显著提高。
两年后，该团队决定再次尝试超快卡皮查-狄拉克效应，这一次他们改变了此前的实验方案，决定采用泵浦-探测实验方法。
也就是说不同于已被广泛应用的行波干涉仪，林康等人在实验中首次利用驻波干涉仪，来测量电子的相位信息。
利用两束反向传播的激光脉冲，可以形成驻波与电子的相互作用。这时，一部分电子会发生受激康普顿散射，散射电子波与原始电子波则会发生干涉从而形成干涉条纹。
针对这一现象，该团队将其命名为超快卡皮查-狄拉克效应。通过此，他们首次将传统卡皮查-狄拉克效应拓展至时间维度，实现了对电子波运动过程中相位演化的超快时间分辨。
传统的卡皮查-狄拉克效应，最初于 1933 年由前苏联物理学家卡皮查（Kapitsa，Petr Leonidovich）和英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）提出。
传统卡皮查-狄拉克效应由于没有时间信息，因此无法测量电子波的相位随时间的演化。
而本次研究的创新之处在于：通过“泵浦-探测”手段将产生电子和探测电子清楚地区分开来，从而能以前所未有的精度，观察电子相位的动力学演化。
通过观察电子在不同时刻穿过驻波脉冲产生的衍射条纹，可以直接获取电子的相位信息。
（来源：Science）
研究中，林康先用一束激光电离产生电子，等待一段时间后，再利用飞秒驻波来衍射电子。通过预先的理论模拟，确认了此次方案的可行性。
“最终，我在实验室第一次看到了衍射条纹，实现了从 0 到 1 的突破。”林康说。
日前，相关论文以《超快卡皮查-狄拉克效应》（Ultrafast Kapitza-Dirac effect）为题发在 Science，林康是第一作者兼共同通讯，Reinhard Dörner 教授担任共同通讯[1]。
图 | 相关论文（来源：Science）
其中一位审稿人评价称：“此前实验通过电子枪产生横向动量分部很窄的电子束，而当前实验从局域化的原子出发，并且通过激光场定位电离产生电子波包。这真的非常酷！”
家人支持促成论文发表，入职浙大再接再厉
此外，林康补充称：“我平时大部分时间都花在工作上，是我老婆一直在照顾家庭。”
在做实验那段时间，林康老婆推着婴儿车在实验室外面的草地上带孩子，林康则在实验室里优化实验条件。
调好一个实验条件之后，林康就来和她一起带孩子，同时等待实验数据累积，然后通过实验结果判断这个条件好不好。
“没有我老婆给予我的支持，我是完全没有办法花那么多时间在工作上的。不然，我估计超快卡皮查-狄拉克效应的发现至少要被延期半年以上。”林康说。
目前，已经回国并加入浙江大学任职的林康，也开始了新的研究。其表示：“现在我和团队正在更加系统性地研究超快卡皮查-狄拉克效应。”
在上述 Science 论文里，林康只测量了单个电子脉冲的相位。当有多个电子或离子纠缠在一起时，它们的相位信息也会有关联。
通过测量多个电子或电子与离子之间的相位关联，可以为理解多粒子纠缠提供新的观测量。也就是说，在现有的认识里这块拼图是缺失的。
此外，利用超快卡皮查-狄拉克效应可以实现交叉研究。手性对于认识生命的起源具有重要意义。比如，DNA 大多是右旋的。
那么手性的起源到底来自何处？通过超快卡皮查-狄拉克效应，则有望在单分子层面上加深对手性起源的理解。
即通过从手性分子释放手性电子波，然后利用驻波去衍射手性电子波，进而提取其相位信息。而这些，都是林康目前正在耕耘的新目标。
参考资料：
1.Lin, K., Eckart, S., Liang, H., Hartung, A., Jacob, S., Ji, Q., ... & Dörner, R. (2024). Ultrafast Kapitza-Dirac effect.Science, 383(6690), 1467-1470.
运营/排版：何晨龙
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