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记国家自然科学一等奖获得者闵乃本院士课题组

2007-03-02 11:19
华静一
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闵乃本院士(中)和学生在一起。李虎军 摄

    2月27日,南京大学闵乃本院士课题组凭借“介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用”站到了2006年国家自然科学一等奖的领奖台上。他们用19年的协作与拼搏,实现了几代南大人梦寐以求的宿愿,获得了中国自然科学界科研成果的最高奖项。

    获奖之际,闵乃本吐露心声:“该项目从提出基本概念、建立基本理论、证实基本效应一直做到最终研制成功全新的原型器件,历经19年。这不是一个人能完成的,也不是我和朱永元、祝世宁、陆亚林、陆延青4位教授完成的,还有陈延峰、王振林、王慧田和何京良等,包括许多研究生,他们都是贡献者。这项成果的取得,是团结合作、勇于创新的结晶。”

    组建队伍合力攻关

    1984年,中国发生的两件大事鼓舞了时为晶体生成领域新星的闵乃本,使他感到自己的学术设想有了实现的客观条件:一是中央决定建立国家自然科学基金会,二是南京大学固体微结构国家重点实验室成为首批4个国家重点实验室之一。当时,闵乃本49岁,意识到自己最富有创造性的年华已过,凭现有的精力不可能一个人单枪匹马地完成全部的学术设想。当他1984年从美国访问归来后,便开始致力于组建团队,一边培养学生一边开拓研究。

    为了解决人才的断层问题,闵乃本决定从学生中选拔一批优秀的年轻人做自己的研究生。1982年从南大毕业的朱永元先在苏州一家工厂工作了三年,1985年被闵乃本慧眼识才,招进课题组专门做超晶格方面的研究;老三届毕业生祝世宁,年轻一些的陆亚林、陆延青也相继进入课题组,成为他的博士生。考虑到研究项目从纯基础的科学很有可能发展到应用,于是从1986年开始,闵乃本设想可以招收一些具有工科背景的研究生。陆亚林回忆道,1988年,当他在浙江大学获得工学硕士后,慕名想到闵老师研究组攻读博士,但又顾虑重重,担心自己的物理背景不够。他怀着忐忑不安的心情给闵乃本写了一封信,并不期待有所答复。然而,他没想到闵乃本很快就回了一封整整两页的亲笔信,给他以巨大的鼓励。从此,他的人生因这封信而改变。没有进入获奖名单的陈延峰原是西北工大的工学博士,后也被闵乃本招来做博士后研究。1999年后,课题组又先后引进了非线性光学专家王慧田教授和固体激光技术专家何京良教授一起进行合作。就这样,一支理工相结合、知识与年龄结构合理的梯队开始了漫长而艰辛的攀登之路。

    1984年以前,高校科研条件非常简陋,教师的生活条件和国外相差几十倍,许多博士毕业后不太愿意留校工作。在这种形势下,闵乃本考虑最多的就是如何留住人才,给愿意献身科学的青年人搭建施展才智的舞台。在他看来,一个学术群体的发展,是一个包括学科知识、实验技能、研究成果等不断积淀的过程,还包括学术传统、学术氛围、科学精神的传承。在这样的群体中,青年人就有可能在较短的时间内做出杰出的贡献。闵乃本对弟子的要求很高,国内一般的科研论文都是用中文撰写,当时朱永元在闵乃本手下读研究生,他发表的第一篇论文就被要求用英文写作。闵乃本这样告诫他:“我们的工作应该拿到国际上去竞争!”朱永元还回忆说,闵先生指导学生的方式是与学生在一起讨论,提出的问题切中要害,常常让学生回答不了,却每次都能让朱永元受到启发,向更深的地方钻研。

    上世纪90年代初,有一次闵乃本去北京参加学术会议,在南京开往北京的卧铺车厢里,认识了企业家吴思伟。素昧平生的两人聊得很投机;受闵乃本的感染,临别前,吴思伟表示愿意无偿为改善青年研究人员的生活条件提供一笔资助。就这样,闵乃本用自己牵线的这笔资助在物理系、材料系和微结构实验室设立了“克力奖研金”,每位获奖者每个月可以获得1000元的补贴,这在当时比闵乃本自己的工资还要高。“这些客观的运气也为我们能在1997年之前的困难条件下保存一支队伍发挥了不小的作用。”闵乃本笑着说。

    甘于寂寞勇于创新

    创新是闵乃本院士课题组摘得本届国家自然科学一等奖桂冠的关键所在。

    对于创新,闵乃本有着自己的独到见解:在继承前人的基础上加以发展,在发展当代前沿的过程中才能创新。也就是在继承中发展,在发展中创新。这实际有一个积累的过程,是一个自然的过程,不能以功利为目的,不能急于求成,要甘坐冷板凳。

    “我们这个获奖课题的设想不是凭空从天上掉下来,而是有所继承。”

    1962年,美国的诺贝尔奖得主Bloembergen提出了准位相匹配理论,但是这个理论一直没有办法得到验证。直到上世纪70年代末,在冯端教授的带领下,闵乃本等巧妙地利用了在晶体生长过程中出现的生长条纹,研制出聚片多畴铌酸锂晶体,成功地验证了准位相匹配理论。这一成功使闵乃本敏锐地意识到这类微结构材料具有潜在的应用价值,于是萌生了发展和建立一套有关该类材料的系统理论并探索其应用前景的设想。

    1984年,科学家发现了物质的一种新的形态———准晶。1986,闵乃本考虑提出介电体超晶格的概念时开始设想:是否可将准晶结构引入到介电体超晶格中,构建准周期超晶格?

    经过2至3年的探索,闵乃本和他的学生朱永元等建立了准周期超晶格的多重准位相匹配理论,预言“一块准周期的介电体超晶格有可能将一种颜色激光同时转换成三、四种颜色的激光”。

    虽然当时还沒有实验结果,他们不敢下定论,但这一理论预言已让他们兴奋不已。然而,由于没有实验的验证,发表的论文并未引起重视。在其后的两年里,课题组一直在思考制备介电体超晶格的新工艺,却总也没有找到突破口,这也是他们在19年中最为苦闷的时候。

    1992年,闵乃本在翻阅最新的物理学杂志时,忽然看到一篇报道说日本科学家利用半导体平面工艺制成了周期结构光波导,实现了激光倍频。“半导体平面工艺任何图样都能做,既然周期结构能行,那准周期也应该能实现!”这个想法一下触发了闵乃本院士的灵感。很快,祝世宁开始探索制备超晶格的新技术,他和实验室其他人员一起设计图案、光刻、做电极……终于用两年多的时间成功地发展出一种室温图案极化制备介电体超晶格的新技术。

    “将非常常见的半导体工艺借用到介电体超晶格里,虽然本身不是很大的创新,但对本项目进展至关重要,当然它的诞生过程是异常艰苦的。”对材料研究深有体验的闵乃本对此进展赞许有加。

    1995年,课题组已能用这种新技术制备出周期超晶格。1996年又制备出了同时能出二种颜色激光的准周期介电体超晶格,并成功地用漂亮的实验验证了他们建立的多重准位相匹配理论。这项工作发表在世界级学术刊物《科学》上,引起了广泛的重视,入选科技部1998年度我国基础研究十大新闻。国际光电子产业界的重要刊物《激光世界》(《LaserFocusWorld》)在“Breakthrough”(新突破)栏目中这样报道:“南京大学固体微结构国家重点实验室的研究人员展示了……准周期结构在非线性光学研究领域中一个可能的重要应用。”

    闵乃本院士课题组经过近二十年的努力,为准位相匹配材料的研发奠定了基础,使国际上同行科学家逐渐关注介体电超晶格的应用前景。由于随后美国斯坦福大学一批科学家的介入,更使这一冷门领域逐渐走向热门,而此前,研究组坐了十年冷板凳。

    一组清晰的数据佐证了这段历史:据不完全统计,1980至1990年这10年艰苦积累时期,国际上相关论文总数约有二十余篇,闵乃本研究组就贡献了9篇。

    自讨苦吃成就荣耀

    随着国家自然科学基金的设立,863计划、攀登计划、973计划的实施,以及国家重点实验室的建立,课题组所在的南京大学固体微结构国家重点实验相继购置了激光器、电子显微镜、聚焦离子束等现代化仪器和设备,科研条件大幅改善。尤其是1995—1997年取得的巨大成功,更让闵乃本对该研究方向的选择充满了信心。

    闵乃本坦言,“和发达国家不同,我们的基础研究成果如果不再花一点时间将它演示出来,就不能吸引工业界或应用界的关注。我们处在发展中国家,要付出更多的努力再往前走几步,这样才能被产业界认识,使这些成果早日对人类、对我们的国家有所贡献。”

    基于这一认识,课题组将已经取得的基础研究成果与全固体激光技术相结合,齐心协力,终于在2005年利用研制的介电体超晶格,研制成功全固态超晶格红、绿、蓝三基色和白光激光器。对一个以基础研究为主的课题组而言,要完成一台技术复杂的原型器件其难度可想而知,更何况他们不但制出了样机,还取得了4项国内发明专利和1项美国发明专利。据统计,从1997—2005年间,课题组发表论文46篇,并先后在《Science》上发表论文3篇,在PRL上发表论文7篇。

    “做科学工作,我体会的是自讨苦吃,没有钟点,没有假期,没有周末,一有时间想到的就是科研,尤其在没有突破的时候非常痛苦。当然,入了迷以后就乐在其中,一旦理论结果或科学预言被实验证实了,这种成功的喜悦是别的任何一个人都不能体会到的,只有自己能懂。”闵乃本笑着说。

    对介电超晶格的应用前景闵乃本有着更多的憧憬:“我们知道,一般的固体激光器只能出一种颜色的激光,用了我们的介电超晶格以后可同时出红、绿、蓝三种颜色的激光,或更多颜色的激光,这就为当代激光技术开拓了新应用,也开拓了光学和非线性光学的新领城。除了三基色激光器可以用于彩色显示外,还有许多事情可以做:如多波长激光器有可能去发展一种激光医疗仪器,它的好处在于,有些病症的病灶对某一个波长的激光比较敏感,就可以用它来检测和定位,然后再用另一波长的激光对它进行手术治疗。当然,目前这只是可能的设想,还没有做出来。如果有医疗界、企业界愿意做,我们会很高兴与他们一起来讨论。” (罗静 秦刚 张晔)

    ●资料链接

    介电体超晶格:上世纪七十年代,科学家将人工周期微结构引入半导体,构成半导体超晶格,成为学术界的热点。在这一成就的启发下,课题组将周期微结构引入介电晶体,构成不同类型不同功能的介电体超晶格。1984年准晶发现后,又引入准晶的概念。周期介电体超晶格只能高效地完成一个光参量过程,而准周期介电体超晶格能高效地同时完成多个光参量过程。

    课题组根据多重准位相匹配理论,将三个独立的光参量过程,高效地、全固态地集成在一块介电体超晶格中,可以将一种颜色激光同时转换成红、绿、蓝三基色激光。

    ●新闻人物简介

    闵乃本:1935年生,日本东北大学理学博士,南京大学教授,中国科学院院士,第三世界科学院院士。现任南京大学固体微结构物理国家重点实验室学术委员会主任,国家973计划顾问专家组材料领域召集人,国家重大科学研究计划“量子调控”专家组组长,全国政协常委,江苏省政协副主席。主要从事凝聚态物理和材料科学研究。

    朱永元:1949年生,南京大学教授。多年从事微结构材料的研究,涉及介电体超晶格、金属微结构材料的设计、制备和特殊物理性能(压电效应、电光效应、非线性光学效应、等离极化激元)等领域。在国际刊物上发表论文多篇。

    祝世宁:1949年生,南京大学教授,南京大学物理系主任、江苏省物理学会理事长。研究领域为凝聚态物理和非线性光学,主要研究方向:光子晶体、非线性光子晶体和光学超晶格,微结构电磁波材料以及压电,铁电材料的结构与物性。在国际刊物上发表论文多篇,申请、获得国际、国家发明专利20余项。

    陆亚林:1964年生,1991年在南京大学获得博士学位。1991年至1996年期间在南京大学物理系和材料科学系工作,曾承担国家863计划项目等。现任美国克罗拉多大学泉城分校电子工程系教授。主要研究兴趣包括激光与非线性光学、太赫芝材料与器件、先进纳米材料等,在国际期刊上发表论文多篇,持有多项中国、美国专利,并是多种国际学术刊物审稿人。

    陆延青:1971年生,南京大学教授,IEEE激光电光分会及通讯分会的高级会员,多种国际刊物特约评审人。主要围绕介电体超晶格材料及其声光电应用展开工作,先后在《Science》等重要刊物上发表SCI论文四十余篇。自2000年起进一步将工作转向应用工程技术领域。曾先后担任多家外国大公司的技术主管和顾问,在光通讯产品的研制、开发、生产等方面积累了大量的经验。

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