作者:郑金武 来源: 中国科学报 发布时间:2020/11/10 8:59:34
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红外探物 矢志不渝
——走进红外物理国家重点实验室

 

■本报记者 郑金武

茫茫太空,众多人造航天器在按既定轨道翱翔的同时,还要做到实时精准对地“观测”。如何让卫星、飞船等航天器上的“天眼”看得清、看得远、看得准,核心关键技术攻关迫切需要基础研究与应用基础研究先行。

依托中国科学院上海技术物理研究所(以下简称上海技物所)建设的红外物理国家重点实验室,是一支始终瞄准国家使命性任务和面向世界科学前沿、在红外物理应用基础领域已具有国际影响力的创新团队。

“立足国际前沿、瞄准国家需求,打造在国际上具有重要影响的科学研究创新基地、高层次专业人才培养基地、解决国家‘有和无’的基地。”经过数十年发展,红外物理国家重点实验室主任陈效双坚定地认为,实验室走的“红外光电子物理与光电操控的应用基础研究”之路是正确的。

“红”脉相承

“白手起家,勇于创新”,是老一辈科研工作者的座右铭,也是红外物理国家重点实验室的标签和基因。

上海技物所开展红外光学研究的历史,可以追溯到上世纪50年代。1951年,中国科学院院士汤定元从国外留学回国在上海技物所工作后,选择了半导体物理作为自己的研究方向,并在工作小组中主要研究半导体的光学及光电性能。

在从事半导体的研究中,汤定元极具战略眼光地认识到红外技术对国家安全的重要性。他提笔向国家主管部门和聂荣臻元帅“请战”,建议我国部署红外研究工作。

随着红外物理逐渐成为研究的热点,红外物理国家重点实验室第一、二届主任,中国科学院院士沈学础和同事们白手起家,建立了红外物理实验室,致力于用红外的方法研究物体的性质,同时用这些研究成果促进红外技术及应用的发展。

起步初期,实验室发展异常艰难,在研究所的仓库里开始,沈学础和同事们一步步像养孩子一样把实验室“拉扯大”。由于发展迅速,1985年,红外物理实验室成为中国科学院开放实验室;到1989年,实验室正式被纳入国家重点实验室序列。

红外物理国家重点实验室第三、四届主任,中国科学院院士褚君浩瞄准红外物理热点领域开展了重点布局。褚君浩长期从事红外光电子材料和器件的研究,开展了用于红外探测器的窄禁带半导体碲镉汞和铁电薄膜的材料物理和器件研究,并提出了碲镉汞的禁带宽度等关系式,被国际上称为CXT公式。

“做科研要敢于工作在前沿,要有志气,要在前沿做出好的成果来。”褚君浩不仅身体力行,也把这样的信念根植于实验室的发展中。

实验室第五、六届主任陆卫在理论研究中,应用红外磁光光谱手段,从实验上直接验证了Haldane禁带理论猜想。这项工作属国际首次,为磁学领域解决了重要理论命题的判别问题。

“从基础研究到成果最终应用,实验室有很好的传承。”陆卫说。

正是这样的创新传承,使得实验室的发展蒸蒸日上,为迈向具有国际重要影响的科学研究创新基地奠定了坚实基础。

使命担当

红外物理学的应用基础研究,是国际上六大颠覆性前沿科学之一,对未来发展有重要而深远的战略意义。

从东方红一号人造卫星,到如今的墨子号、天宫二号等,红外物理国家重点实验室完成了为我国空间和安全重大工程技术的跨代发展提供学科支撑的使命。

“有赖于长期学科基础积累,立足红外物理学的应用基础研究,实验室承担了大量的国家中长期规划和国家重大科学计划,有力推动了我国空间技术的发展。”陈效双介绍。

目前,实验室针对空间光电技术跨代发展需求,已形成较完备的红外物理学科方向布局,围绕“红外物理、材料、器件及其光电探测新方法研究”领域,确立了实验室的研究重点,凝练窄禁带半导体物理、量子态调控、低能元激发物理、光谱学新技术、光电探测新方法与应用等5个研究方向。

“以现代红外物理学为切入点,立足学科前沿和国家重大需求,围绕红外光谱、红外系统、红外器件等,开展了新机理、新概念、新材料、新器件、新技术、工程验证和应用的全方位科研,形成了完整的学科链。”陈效双说。

作为国家创新力量,红外物理国家重点实验室攻坚克难,取得了一个又一个突破。

在基础研究领域,实验室提出光场调控的新机理,实现了一种基于多子探测机制的反常光电响应,室温光电增益高达5个数量级;利用电场调控的新思路,实现了对低维半导体的电子结构及光电特性的有效操控,有效抑制了暗电流,显著增强了光电响应率。在关键技术方面,实验室开展了“大面积红外焦平面技术”科研攻关,并取得了重大突破,成为我国主导性红外探测技术跨代发展的典型。专家评价该成果“填补了我国在该领域的空白,解决了夜间成像观测的难题,在海洋观测、灾害监测等应用领域,获得了一批其他手段难以得到的重要目标信息”。这项突破也使我国成为继美国之后,第二个有能力制造硅基碲镉汞红外焦平面器件的国家。

此外,随着社会经济需求的不断提升,国家气象卫星向着精细化方向发展,对地观测空间分辨率要求从1公里提升到10米,长波红外对海洋观测温度分辨率要求从百毫开量级提升到几十毫开量级。而这对光电探测能力提出了新的要求。红外物理国家重点实验室经过深入攻关,取得的相关成果在气象卫星“风云4号”垂直探测仪上获得应用,使得卫星对大气实现了高精度温度、湿度参数的垂直结构观测,相当于对大气进行CT扫描。这项成果领先国际至少5年。世界气象组织空间计划卫星事务资深咨询专家蒂尔曼·莫尔评价说:“国际气象界都在迫切盼望使用这种新型数据;干涉式大气垂直探测仪将成为气象卫星的重大突破,而中国气象部门将在这一领域走在前列。”

此外,单光子偏振高保偏调制技术突破、红外探测新机理新概念、微纳光谱新方法等一系列科研进展,也成为实验室发展的实力标签。

陈效双表示,近年来,实验室承担了“核高基”“高分辨率对地观测系统”“载人航天与探月工程”等国家科技重大专项,国家重点研发计划“地球观测与导航”“量子调控与量子信息”“战略性先进电子材料”等重点专项,国家自然科学基金委创新研究群体项目、重大项目,以及国家重大工程型号任务等一系列聚焦国家核心竞争力的重大研究项目。

辛勤付出也迎来了累累硕果。近5年来,红外物理国家重点实验室获得各类科技奖项共计17项,包括国家自然科学奖二等奖1项、国家技术发明奖二等奖1项、国家科技进步奖特等奖2项、国家科技进步奖一等奖1项、国家科技进步奖二等奖2项;在《科学》《自然—电子学》等期刊上发布多篇有影响力的论文;获得发明专利授权数百项。

坚持专注

创新的事业离不开创新的人才和团队。从汤定元、沈学础、褚君浩等老一辈科研工作者,到目前的光电子学、光电子材料与器件、光电技术3支创新团队,实现了老中青结合、互相交叉,为红外物理国家重点实验室的科研攻坚和创新发展积蓄了强大动能。

而打造“红外领域高层次青年科技人才的培养基地”,也是实验室的重要目标之一。

目前,实验室拥有固定人员 71人,其中研究人员达 65人。在陈效双看来,“坚持需求牵引、学科推动模式下人与事结合的人才培养模式”是实验室多年来的探索实践所得。

留学回国的研究人员中,陈建新近年来不断攻关,发展了新一代红外探测材料与器件;郝加明专注于等离激元光子学、超构材料和变换光学等领域,取得了重要进展。

而博士毕业留所的研究人员中,黄志明的创新性工作,丰富了太赫兹波的产生和探测技术;胡伟达的深入研究,推动了室温二维材料红外探测器的发展。

实验室里一批35岁左右的青年才俊也崭露头角。王建禄、周靖、李冠海等研究人员在国际重要学术期刊上发表了一系列重要论文,并获得了多项重要荣誉,彰显了实验室强劲的发展后劲。

“我们实验室在成立之初的主要目的,就是在红外技术发展方面,为国家作出源源不断的创新性和原创性贡献。实验室有这样的文化,结合国家需求做好基础研究。”黄志明认为这样的理念已经深入到实验室人员的骨子里,“我来到这个环境中之后,也慢慢受这样的影响,希望在前沿领域做些事情”。

“要坚持一个方向,还要专注,科研工作不能打一枪换个地方。”胡伟达访谈时的关键词是“坚持、专注”,道出了红外物理国家重点实验室不断取得重大突破、人才团队不断成长壮大的奥秘。

开放创新

栽下梧桐树,引来金凤凰。红外物理国家重点实验室的发展,不仅迎来了留学人才的回归,也迎来了海外知名学者的访问交流。

陈效双表示,“开放、流动、联合、竞争”是实验室发展的八字方针。近年来,实验室设立开放课题44项,总经费620万元,占开放运行费24.8%;同时,实验室积极邀请美国、德国、日本、英国、加拿大等国知名学者来实验室做6个月以上的访问交流和合作。

在开放课题的支持下,红外物理国家重点实验室团队与武汉大学教授廖蕾合作的“砷化铟基纳米线器件研制及室温红外探测中的应用”成果、与复旦大学教授修发贤合作的“狄拉克和外尔半金属的相变及光电特性研究”成果等,均在国际重要学术期刊上发表。

同时,实验室团队与国际知名学者开展了系列合作研究,包括与俄罗斯科学家Yury Andreev合作的太赫兹光源研究,与日本教授小宫山进在近场红外光学系统与应用领域进行的研究,不仅促进了国际交流合作,也提升了实验室的国际影响力。

面对良好的发展态势,陈效双却主动查找问题。“目前,实验室在高性能微纳表征工作条件方面,还有待加强;针对红外物理基础研究与国家空间光电前瞻性技术研究,交叉型优秀年轻人才成长和储备还存在不足。”

陈效双希望,实验室设置、布局和人才配备既符合国际最新研究前沿和重大领域的发展趋势,又满足我国未来空间光电技术发展中应用基础和前瞻技术的攻坚需求。

“实验室发展与研究所发展实现了有机统一和良性互动。希望实验室未来更聚焦于国家的科研水平提升,取得一些‘从0到1’的突破。”上海技物所所长丁雷对红外物理国家重点实验室的发展寄予厚望。

①红外物理国家重点实验室成员在2019年国庆期间合影。

②王建禄团队的脉冲激光沉积系统。

③陆卫团队在实验室开展研究。

④李天信团队开展埃尺度的原子特征研究。

⑤先进的实验条件。

⑥2019年实验室学术委员会合影。

实验室小故事

学成归来的三任实验室“掌门”

身在异乡,心系中华。在红外物理国家重点实验室的历届主任身上,“学成归来”是一个独特的标签,也是一个非常有分量的标签。

曾担任中国科学院上海技术物理研究所所长、红外物理国家重点实验室学术委员会主任的汤定元,于1948年3月赴美国明尼苏达大学物理系学习,同年转入芝加哥大学物理系,并获得硕士学位。

但在大洋彼岸求学的汤定元,无时无刻不在关心着祖国的发展。朝鲜战争的爆发更让他回国心切。为了避免因战争原因而被扣留,1951年春天,汤定元婉拒了导师的挽留,决定放弃博士学位,提前回国。

摆脱美国移民局的无理刁难后,汤定元乘船经过20多天行程,终于回到了日思夜想的祖国。他也成了新中国成立后在美留学生第一批回国的11人之一。是年8月,美国政府下令禁止中国留学生回中国,已经乘船到檀香山的人也被送返。

曾担任实验室第一、二届主任的沈学础,在1978年作为改革开放后首批出国留学人员,获得了去德国马普学会固体研究所留学的机会。

初到马普学会固体所,沈学础选择了难度非常大的“双光束傅里叶变换光谱”课题。他没日没夜地扑在实验室里,连值夜班的保安都认得了沈学础,并对这个长期加夜班的中国人照顾有加。

在德国期间,沈学础从图书馆借阅了许多资料,从中学习大量知识的同时,还发现了书中的一些谬误。德国同行惊讶地说,他们中没有一个人像沈学础这样细致看文献。

正是在德国,沈学础“赶上了国际上固体光谱研究热的末班车”。在实验中,沈学础对偶然发现的新光谱信号“穷追不舍”,并与另一位中国访问学者合作观察到了固体中的轻杂质低频振动新谱峰。

起初,沈学础的指导老师——固体光谱学大师卡多纳教授对实验结果不以为然,只说了句“除非你足够幸运”。但最终事实证明,沈学础的执着是正确的,他观察到的现象可以归结为一类新的杂质振动模式。

实验室第三、四届主任褚君浩,在硕士研究生毕业后,曾有机会去美国攻读博士学位。但导师汤定元建议褚君浩留在国内读博士,在国内也一样可以做出出色的成绩。

当时,到美国留学可以获得3万美元奖学金,而在国内读研究生只有人民币80多元的补贴,待遇差距很大。褚君浩考虑了很久,最后还是听从汤定元的建议,留所读博士。

1986年2月至1988年10月,褚君浩获得德国洪堡基金,赴德国慕尼黑技术大学物理系从事半导体二维电子器件、远红外激光器等领域的研究。那时,远红外激光器很难调节,实验室里的许多人都调不稳,而只要褚君浩出手,就能把激光器调得非常稳。

褚君浩说,导师汤定元先生的爱国精神一直在传承,实验室绝大多数出国求学的学子,都回国报效祖国。他们牢记出发时汤定元的殷殷嘱托:学习结束后,有机会还是要回国发展。

(郑金武 )

红外物理国家重点实验室简介

红外物理国家重点实验室是1985年中国科学院首批开放实验室之一,1989年获批国家重点实验室建设,1992年通过验收。实验室始终坚持面向红外物理的国际学术前沿、面向空间光电技术的国家重大需求、面向光电探测领域国民经济主战场,把探索光电过程中重要科学问题和解决国家对光电技术的重大需求相结合,努力建设成国内一流、国际先进的红外光电子学及其前瞻性红外光电技术的应用基础研究基地和红外领域高层次青年科技人才的培养基地。

红外物理国家重点实验室针对我国空间光电技术跨代发展需求已形成较完备的红外物理学科方向布局,在“红外物理、材料、器件及其光电探测新方法研究”领域,确立了实验室的研究重点为窄禁带半导体物理、量子态调控、低能元激发物理、光谱学新技术、光电探测新方法与应用等5个方向。

近几年,红外物理国家重点实验室进一步加强科研条件和科研队伍建设,不断夯实科研基础、提升创新能力、服务国家战略需求、作出“红外强国”应有贡献,已取得了一系列创新成果,成为不可替代的国家战略科技力量。

《中国科学报》 (2020-11-10 第4版 聚焦)
 
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