特别报道】  第 942 期 2007-03-10
19载冷板凳成就大辉煌
——记国家自然科学奖一等奖获得者闵乃本院士课题组
罗静 秦刚 新华 点击:5614
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  2月27日上午,北京人民大会堂。
  我校闵乃本院士以及朱永元、祝世宁、陆亚林、陆延青教授完成的《介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用》成果获得了2006年度国家自然科学一等奖。至此,这个时常空缺的代表我国自然科学研究最高荣誉的奖项,终因这项原始创新性成果而众望所归。
        小材料能做大文章
  我们所处的物质世界是这样的奇妙,有着不同的物质形态和各式各样的物理性质。可是,这样的千变万化却来源于物质形式多样的微观结构。一样的水分子,可以呈现出雪花、冰川和流水;一样的碳原子,只要位置稍稍变化,竟有松软如石墨与坚硬似金刚石的天壤之别。为什么微观结构和尺度会有这样的魔力?有没有可能按照人类的意志来设计材料的结构与性质?这一直是科学家、特别是物理学家孜孜以求的问题……科学家们把组成固体材料的结构粒子(分子、原子、离子)在空间形成的有规则的结构叫晶格,然而,想人工直接在晶格中调整粒子的位置以得到新材料,在技术上却有着极大的困难。
  上世纪80年代初,闵乃本等人提出一个大胆的想法,在介电体材料中,把晶格放大1000倍,变成“超晶格”,在微米至亚微米这样一个与物质的光学、声学等性质密切相关的尺度下,通过各种巧妙的微加工微处理技术来设计物质的结构,从而开发出新材料、发现新性能,探索新用途。
  所谓介电体,通俗讲就是不导电的绝缘体,而“超晶格”只不过是一种“超大”千倍的“晶格”而已。可是这样的尺度“超大”,却给了物理学家极大的自由度去设计去调控去建构各种各样的新颖“人工微结构材料”,从而产生出许多自然界没有的奇妙物性。介电体超晶格的概念引入和技术突破,如同给晶体物理学家的想象和创新插上了一对翅膀。
        冷板凳坐出大贡献
  从理论的提出,到成果获奖,整整花了19年。
  19年,闵乃本和他的弟子们甘于寂寞,甘坐冷板凳,开始了最富色彩的物理人生。
  19年,没有人规定什么时候上班、什么时候下班,但每一位成员吃完晚饭都会自觉地赶到实验室,常常工作到晚上十一二点才离开。
  晶体生长时间比较长,有时候需要24小时观察,他们一刻也不离开,就像看护自己的婴儿一样守护晶体,很多实验有些测量一测就要几天,都需要人来看守。
  朱永元当年进入闵先生课题组后,不得不和在苏州工作的爱人分居两地,一分就是8年。这8年间,他整天泡在实验室做研究,甚至常睡在实验室里,用他自己的话说:“那个时候,实验室就是我的家。”
  “做科研苦,尤其在没有突破的时候非常痛苦。但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,这种成功的喜悦是其他人不能体会到的。”这是闵乃本院士对苦与乐的观点。
  1996年,经过呕心沥血的努力,课题组制备出了同时能出两种颜色激光的准周期介电体超晶格,并成功地用实验验证了他们的理论。如果在发达国家,这样就可以收兵,并申报重大科研成果奖了;然而,他们并没有这样做,又坚持了9年。
  为什么要这样做呢?闵乃本想得更多、更远。他说:“和发达国家不同的是,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。”
        团队凝聚大智慧
  “介电体超晶格项目获奖,是一个团队共同智慧的结晶”。这是闵乃本院士获奖后最想说的一句话。
  “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,这不是一个人能完成的,也不全是我们得奖的这5个人完成的,还有陈延峰、王振林、王慧田和何京良等教授,以及名字没有写进证书的许多人,包括许多研究生,他们都是贡献者。”
  时光回到20多年前,时年49岁的闵乃本意识到凭他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,必须建立一支精干的团队。
  于是,他做的第一件事就是拿着“放大镜”四处找人才。1982年从南大毕业的朱永元先被闵先生招进课题组,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。随着课题研究的深入,闵乃本把选人的目光从基础学科拓展到了工科。非线性光学专家王慧田、材料学家陈延峰、固体激光技术专家何京良等也先后来到了课题组。就这样,一支理工相结合、知识与年龄结构合理的团队开始了漫长而艰辛的攀登之路。
  上世纪80年代,出国、下海盛行,闵乃本和他的团队却心甘寂寞地奉献在实验室里。他们的精神感动了一个人。一个偶然的机会,闵乃本在火车上认识了企业家吴思伟,他为课题组无偿提供了一笔资助。闵乃本用这笔资助设立了克立奖研金,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。
  留下来,再送出去,这是闵乃本对团队的“投资”。闵乃本课题组的每一位成员,都在工作了两三年取得一些成就后以专家的身份赴欧美等国最有名的研究组从事合作研究。陆延青是获奖者中最年轻的一位,他理论和实验能力兼备,博士毕业又做了几年研究后到美国的大学工作了一段时间,而后进入高技术公司从事实际的研究开发乃至生产,取得丰富的光电子产业的经验。通过这种出国访学和交流,课题组成员眼界更加开阔,使课题发展呈良性循环。
        创新开拓大视界
  在继承中发展,在发展中创新,科技创新离不开学术开放意识。沿着前人搭建的“天梯”,课题组越过一个又一个峰峦。
  “我们这个获奖课题的设想不是凭空从天上掉下来,而是有所继承的。”1962年,美国的诺贝尔奖得主Bloembergen提出了准位相匹配理论。正是在这一理论的基础上,闵乃本、朱永元等人发展出多重准位相匹配理论从而奠定了多色激光变频的基础。这一理论也成了介电超晶格材料学术体系的一个重要组成部分。
经过2至3年的探索,这一理论成果逐渐成熟起来,1990年在国际重要学术刊物《物理评论B》上发表了论文。然而,当时并未引起学术界的重视。闵乃本明白:一个理论,特别是来自中国的理论成果要得到国际承认,还是得有实验的验证。于是,他下定决心在研制原型器件上下工夫。
  这里的关键是必须要有合适的制备方法来“搬动”物质的组元,实现超晶格的设计。然而,他们原先提出并使用的晶体生长法在这里却遇到了很大困难,很难达到理论的要求。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,寻找能“搬动”组元的“大力士”,却总也没有找到突破口。这是他们19年中最为苦闷的时候。
  开放的学术思维使得他们又一次柳暗花明。1992年,闵乃本到香港讲学时翻阅最新的物理学杂志,看到一篇介绍日本科学家关于周期结构光波导新成果的报道,灵感一触即发:日本科学家运用的一种叫室温极化制备方法可能就是他们苦苦寻找的“大力士”。他赶紧把这篇文章传真回来。朱永元、祝世宁等人很快反应过来,开始探索制备超晶格的新技术,和实验室其他人员一起设计图案、光刻、做电极……经过二年多的时间,终于成功发展出一种室温图案极化制备介电体超晶格的新技术。
  又经过多年的努力,随着第一台介电体超晶格激光器同时发出绚丽的红、绿、蓝三基色光,这一历时19年的系统性原创成果终于有了一个圆满的结果。然而,这决不是终点,闵乃本和他的合作者们还在不断地努力。介电体超晶格中还蕴涵着太多太多的科学奥秘,也还会有像三基色激光那样充满诱人应用前景的成果不断地展现。 
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