作者:袁一雪 来源:中国科学报 发布时间:2020/4/5 12:13:43
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基础打好,水到渠成
——从介电体超晶格研究看原始创新

 

闵乃本(左二)、朱永元(左一)与青年教师徐平、赵刚讨论实验结果。

 

一束激光从一种被称之为介电体超晶格的晶体中穿过会产生不同颜色的激光,它也能产生神奇的纠缠光子,这种最初由中国科学家发明的微结构晶体现在已被广泛用于激光与量子信息技术。

南京大学闵乃本研究团队也因此站上了2006年国家自然科学一等奖的领奖台。

从开始组织研究团队到获奖,他们走过了整整19年。闵乃本曾直言:“这项成果是从凝聚态物理、材料科学到光学工程再到固体激光技术交叉综合的结晶。”

获奖以后,南京大学介电体超晶格研究一直没有停步。超晶格和微结构材料也逐渐发展成为国际学术界和产业界关注的热点。

发轫:探索有价值的科学问题

激光的发展依赖材料。上世纪70年代,南京大学物理系教授冯端、王业宁和闵乃本等人,将目光聚焦到功能晶体和非线性光学晶体。

为了研究这些新晶体,他们白手起家,搭起生长晶体炉。铌酸锂晶体,成为闵乃本最终“优中选优”的晶体。但在其生长过程中,他们发现常出现一种与生长条纹有关的微结构,大小在微米量级,科学上称之为“铁电畴”。而且,如果生长条纹是周期的,这种畴也按周期排列。

“严格地说,畴是晶体中的缺陷。”中科院院士、南京大学物理学院教授祝世宁向《中国科学报》解释说,“它影响了晶体的完整性与均匀性,进而也影响了晶体的性能和使用。”

看着晶体剖面显微照片,闵乃本等人考虑,既然这种周期性铁电畴很难消除,何不另辟蹊径,看看它是否有用?

他们想到诺贝尔奖得主、美国科学家布洛姆伯根提出的“准位相匹配理论”,虽然该理论预言在周期结构晶体中激光倍频可以有很高的转换效率,但这一理论并未被实验严格验证,其原因就是很难制备出严格按设计要求的周期结构晶体。

闵乃本等人立刻敏锐地意识到,具有周期畴的铌酸锂晶体也许能用来验证这一重要理论。经过摸索晶体生长条件,他们最终按照理论估算值生长出了这种周期畴结构晶体。实验时,当波长为1.06微米红外激光穿过晶体时,他们看到了所期待的明亮的倍频绿光,效率与理论估算值一致。

1982年,这项成果获得国家自然科学二等奖。获奖是值得自豪的,但这项工作的启示更有价值:微结构可以成为调控、提升材料性能,发展新效应的手段,具有“点石成金,变废为宝”的功效。

“原创性基础研究是要科学家通过自己的科学判断,探索有价值的科学问题。”祝世宁认为,这是新知识、新技术、新应用产生的不竭源泉。

坚守:千里之行始于足下

上世纪80年代初,南京大学物理系在国内率先开始了微结构材料研究,并于1984年在国家支持下筹建“固体微结构物理国家重点实验室”。同年,我国设立了国家自然科学基金。

两件大事令结束访学归国的闵乃本欢欣鼓舞。49岁的他开始着手组建自己的研究团队,并以周期结构铌酸锂晶体为突破口,探索微结构材料的学术体系。

受IBM公司江琦、朱兆祥有关半导体超晶格研究的启发,闵乃本针对非线性光学晶体大都是良好的绝缘体即介电体,提出了介电体超晶格的概念。

然而,在改革开放初期,受“搞原子弹不如卖茶叶蛋”的“脑体倒挂”现象影响,闵乃本的团队面临人才不断流失的困境。

痛定思痛,闵乃本决定从实际出发,先选拔一批优秀的学生作为自己的研究生,并以润物细无声的方式使得更多优秀的年轻人聚积到团队中来。

也是在那时,传来了以色列科学家丹·舍得曼发现物质的一种新的形态——准晶的消息。这一发现突破了人们对晶态物质的认识。受此启发,闵乃本提出设想: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?

经过三年探索,闵乃本和他的学生朱永元等建立了多重准位相匹配理论,预言一块准周期介电体超晶格有可能将一种颜色激光同时转换成二或三种颜色激光。

用一块准周期(Fibonacci)光学超晶格首次实现高效激光直接三倍频。

尽管这一理论令他们兴奋不已,但论文发表在《物理评论B》后,按闵乃本自己的说法,“并没有在学术界引起多大的反响”。

有些失望的闵乃本发现,没有实验验证的理论,终究难以引起别人的重视。于是,他们开始寻找介电体超晶格的制备新技术。

转机出现在1992年。日本科学家利用半导体平面工艺制成了周期结构光波导,这一消息让他们获得了灵感。“既然周期结构可以实现,那么准周期也应该没问题。”祝世宁说。

经过废寝忘食的两年摸索,祝世宁等人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。这项技术可以将微结构图形更加精确地在晶体内部表达出来,不但研制出了准周期超晶格,还解决了超晶格批量化制备问题。

1996年,团队研制的准周期介电体超晶格实现了多波长激光倍频与直接高效激光三倍频,,这意味着他们建立的多重准位相匹配理论终于获得了实验验证。这项工作发表在《科学》上,入选了科技部1998年度中国基础研究十大成果。

《激光世界》这样评价:“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。”

上世纪90年代开始,随着美国斯坦福大学、日本材料研究所等一大批国际高水平科研团队的介入,介电体超晶格这一冷门领域逐渐走向热门。

1997年到1999年,闵乃本和他的团队每年都有一项工作发表在《科学》上,他们终于用坚守与创新向国际学术界证明了中国科学家的眼光与实力。

开拓:在传承中不断创新

获得国家自然科学一等奖后,闵乃本带领团队没有停止前进的步伐,先后发展和完善出了三种不同功能的介电体超晶格材料:光学超晶格、声学超晶格和离子型声子晶体。

随着一批批优秀年轻人的加入,团队演变成多个研究组,向着研究的广度与深度进军,从单纯的基础研究向基础研究、技术创新和工程开发不同方向拓展。在祝世宁眼中,“以介电体超晶格为代表的微结构材料就是座亟待开发的科学宝藏,吸引了越来越多的探宝者的目光”。

闵乃本(右一)与臧文书(右二),秦亦强(右三)、祝世宁(左一)、陆延青(左二)的合影。

更重要得是,他们研发出的介电体超晶格高性能器件正在解决着高技术发展的实际需求。例如,光学超晶格在全固态脉冲激光器,高精度光学频率梳,激光脉冲压缩和阿秒技术等方面已获得重要应用;光学超晶格中红外激光器已被用于中远程大气监测雷达;光学超晶格分布反馈结构也被用到了半导体激光器阵列的设计,或被刻写进光纤中用于提高探测灵敏度和信号的收集与处理。

此外,光学超晶格也被用于光量子信息技术,“墨子”号量子卫星和最近南京大学完成的国际首次无人机量子通信实验中,飞行器携带的纠缠光源中的核心材料就是光学超晶格(PPKTP);光子芯片上借助光学超晶格可产生各类可调控的单光子、纠缠光子、高维纠缠甚至超纠缠光子,南京大学研制出的首片高速电光调制有源铌酸锂(LN)光量子芯片上就使用了光学超晶格结构。

由于信息技术的需求,声学超晶格及离子型声子晶体材料也得到快速发展和广泛应用,新概念器件被不断研发出来,正通过产学研结合方式在新型研发机构进行成果转化,为国家经济建设做贡献。这正应验了闵乃本生前喜欢说的一句话:“基础打好了,一切都会水到渠成。”

把冷门做成热门,在坚守中不断创新,最后造福社会,这或许正是基础研究的魅力和价值所在。

介电体超晶格研究的40年就是这样坚持下来的。“基础研究要坚持就要有传承,当年微结构研究的先行者们在创建这个方向时,对它的未来也许已经有所预见,但当接力棒一棒又一棒向下传递时,靠的却是一代又一代新人不断开拓的精神和永不放弃的信念。”祝世宁说。

祝世宁同时强调:“原始创新来源于科学家的创造,这需要造就宽松的科研环境。作为管理部门要坚持按科学规律办事,区分好科学和技术的差别,处理好从0到1,从1到N的关系,这样就会有更多的原始创新成果出现。”

 
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