見微識(shí)著 照亮未來——記北京理工大學(xué)教授、長(zhǎng)江學(xué)者鄒炳鎖

本刊記者 褚 焱 艾文彪

見微識(shí)著 照亮未來
——記北京理工大學(xué)教授、長(zhǎng)江學(xué)者鄒炳鎖

本刊記者 褚 焱 艾文彪

納米——超微世界的單位，使人們正越來越向微觀世界深入，認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。

光子——電磁輻射的載體，具有遠(yuǎn)快于電子的風(fēng)馳電掣般的傳播速度，滿足信息時(shí)代信息爆炸性增長(zhǎng)的需要，是探索未知世界的工具。

當(dāng)納米技術(shù)和光子學(xué)技術(shù)結(jié)合在一起時(shí)，將發(fā)揮更大威力改變?nèi)祟惖纳?。目前它在飛速地發(fā)展。這門新興的交叉學(xué)科在信息、能源、生命、環(huán)保、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域均已產(chǎn)生新的重要應(yīng)用。正因?yàn)槿绱耍壳皣?guó)際上主要發(fā)達(dá)國(guó)家均制定了“納米光子學(xué)”的發(fā)展路線圖。在我國(guó)，納米光子學(xué)的發(fā)展也日益受到重視，未來發(fā)展前程似錦。

北京理工大學(xué)材料學(xué)院鄒炳鎖教授及其科研團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事納米光子學(xué)材料和技術(shù)的研究，力圖通過新的微納光子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和物性研究，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)內(nèi)部光子、激子、電子和其它元激發(fā)的調(diào)控，使之發(fā)揮光子波動(dòng)性的相干和耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)和拓展新的量子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更新一代更高效率、更快響應(yīng)、更寬范圍響應(yīng)的新型光子器件，甚至實(shí)現(xiàn)超材料（metamaterials）。

“納米光子雖小，照亮我們未來的路”

在光子學(xué)領(lǐng)域，意義最大的莫過于產(chǎn)生激光，也就是相干光子，它已經(jīng)徹底改變了我們的生活。但是如何制作更小的并可大范圍調(diào)諧的相干光子一直是一個(gè)難題。制約這一進(jìn)步的主要因素就是材料問題。鄒炳鎖教授領(lǐng)銜的納米光子學(xué)小組另辟蹊徑，采用納米結(jié)構(gòu)一維生長(zhǎng)技術(shù)，避免了材料中的成分結(jié)構(gòu)應(yīng)力配合問題，做出了成分可大范圍調(diào)節(jié)的納米線，其方法比哈佛大學(xué)得到超晶格微納結(jié)構(gòu)所采用的外延法要簡(jiǎn)單得多，調(diào)諧范圍也要寬得多。此后，通過進(jìn)一步國(guó)際合作，實(shí)現(xiàn)了從綠光、黃光、橙光到紅光的單芯片上可調(diào)諧的激光發(fā)射，從而解決了這一國(guó)際難題，受到國(guó)際國(guó)內(nèi)科技網(wǎng)站的廣泛報(bào)道。

據(jù)鄒炳鎖教授介紹，該項(xiàng)成果的材料用途廣泛，可應(yīng)用于新光源、光通訊、分子和生物傳感、太陽能電池等領(lǐng)域。例如，在新光源領(lǐng)域，改用這種材料的發(fā)光器件，同等條件下更明亮、更節(jié)能；在光通訊領(lǐng)域，應(yīng)用該成果可很好地改善光子元件的性能，大大提高光通訊的效能；在分子和生物傳感與檢測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)用該成果將能制備出與原來完全不同的可以自主發(fā)光的傳感器件，大幅提高分子和生物傳感與檢測(cè)的效率或靈敏度；應(yīng)用于太陽能電池，可以使不同波長(zhǎng)的光得到最大的轉(zhuǎn)換，將極大提高電池整體光電轉(zhuǎn)換效率。

不斷拓展研究領(lǐng)域，攻克科學(xué)難題是鄒炳鎖認(rèn)為科研人最可貴的品質(zhì)。低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的激子的波色——愛因斯坦凝聚（BEC）研究是長(zhǎng)期的研究難點(diǎn)之一，鄒炳鎖一直致力于這個(gè)領(lǐng)域的研究，期待利用空間的維度和限域效應(yīng)可像磁場(chǎng)和光場(chǎng)限域原子或分子一樣限域激子，從而更容易使激子凝聚。他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在一維半導(dǎo)體超晶格微米線的制備與光學(xué)性質(zhì)的研究方面取得了突破。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，利用折射率和帶隙不同的材料周期性組合，制成了一維光學(xué)關(guān)聯(lián)多微腔，使光子和激子同時(shí)受到限制并耦合，形成了“激子和光子的復(fù)合晶格”，可同時(shí)發(fā)射不同波長(zhǎng)的相干光子，光子長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)度顯著提高，為進(jìn)一步的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

但是，鄒炳鎖又表示，過去的結(jié)果顯示，無論何種玻色子的凝聚，都需要極低溫下將數(shù)量有限的量子集中在微米尺度空間內(nèi)才可能實(shí)現(xiàn)。鄒炳鎖小組利用微量磁性離子微量摻雜強(qiáng)化了氧化鋅納米線中激子和聲子的相干耦合，形成一維雙聲子極化激子，這類激子可在飛秒激光的高密度激發(fā)此類特定摻雜濃度的氧化鋅納米線微腔中產(chǎn)生類BEC現(xiàn)象。這一結(jié)果也證明了一維納米線的磁性離子可穩(wěn)定激子，調(diào)控納米結(jié)構(gòu)中元激發(fā)間的相互作用，導(dǎo)致出現(xiàn)一些過去難以出現(xiàn)的微觀和宏觀物理現(xiàn)象。

除了這些量子線，鄒炳鎖的實(shí)驗(yàn)室還制備了很多種尺寸可控的量子點(diǎn)，發(fā)光效率高、穩(wěn)定性佳，界面可控，可用于生物標(biāo)記，相關(guān)成果得到了美國(guó)科學(xué)院與工程院雙料院士、生物醫(yī)學(xué)工程奠基人R.Langer教授在其綜述中的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為可能作為研究干細(xì)胞的標(biāo)準(zhǔn)方法。事實(shí)上，鄒炳鎖團(tuán)隊(duì)也已開始了利用量子點(diǎn)標(biāo)記癌細(xì)胞的嘗試，未來可能有更多在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。

以上的描述當(dāng)然不能盡數(shù)鄒炳鎖教授200多篇SCI論文、數(shù)十場(chǎng)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)報(bào)告的全部?jī)?nèi)涵。但它們反映了一個(gè)事實(shí)：納米結(jié)構(gòu)包含了豐富的內(nèi)涵，就像我國(guó)科技發(fā)展綱要所言，“納米技術(shù)將帶來新的技術(shù)革命，解決人類當(dāng)前面臨的包括能源、信息、生命、環(huán)境、安全等難題”，而納米光子學(xué)的迅速發(fā)展必將見前人所難見，解前人所難解之題，隱人欲隱，見微識(shí)著，照亮我們未來的道路。

“我們趕上了一個(gè)好時(shí)代”

輝煌的背后往往是默默的付出與不懈的努力。然而鄒炳鎖只跟我們談他的“幸運(yùn)”，對(duì)艱辛只字不提。但我們從他平淡的話語中依然可以讀出他一路走來的堅(jiān)定與執(zhí)著。

1981年，17歲的鄒炳鎖考入了吉林大學(xué)化學(xué)系，學(xué)習(xí)無機(jī)合成化學(xué)。但他志在物理，因?yàn)槟鞘撬麖闹袑W(xué)以來的夢(mèng)想。于是，在選擇研究生專業(yè)時(shí)，他毫不猶豫地選擇了物理化學(xué)學(xué)科，進(jìn)入“凝聚態(tài)物質(zhì)中的光物理與光化學(xué)”課題組。在這里，鄒炳鎖得遇良師，對(duì)國(guó)際動(dòng)態(tài)敏銳無比的肖良質(zhì)教授將他引入納米材料的研究領(lǐng)域，而物理思想深厚、科學(xué)目光深邃如炬的李鐵津教授則教給了他各種光譜學(xué)的手段，指導(dǎo)他如何把物理與化學(xué)完美地結(jié)合。從此，一個(gè)暫新的世界——納米光子學(xué)這個(gè)交叉領(lǐng)域逐步在他面前展開。

心中有夢(mèng)想，便能目無旁物，專注于一。在圖書館里，他如饑似渴地汲取知識(shí)的養(yǎng)分；在實(shí)驗(yàn)室里，他樂此不疲地探索未知的世界。徜徉在知識(shí)的海洋里，他感到自己是那么渺小，他只有奮楫揚(yáng)帆，以期早日到達(dá)彼岸。1991年，他的博士論文《量子限域超微粒的制備、表征和光學(xué)性質(zhì)研究》通過了答辯，這可說是國(guó)內(nèi)最早的“量子限域——quantum confinement”的中文提法。其中對(duì)納米微粒光學(xué)非線性的成果，可以說是開國(guó)內(nèi)化學(xué)博士生與物理合作研究的先河。從此，納米研究中物理和化學(xué)無法分家。

1994年，于南開大學(xué)光學(xué)所博士后出站后，鄒炳鎖來到中科院物理所工作。在這里，他再一次遇到“貴人”。中科院物理所是國(guó)內(nèi)物理研究領(lǐng)域的先鋒，有解思深院士、楊國(guó)禎院士等學(xué)界泰斗，在他們的支持和指導(dǎo)下，鄒炳鎖如大鵬展翅，任意翱翔。1996年開始，在新加坡國(guó)立大學(xué)和美國(guó)佐治亞理工學(xué)院三年的海外訪問學(xué)者生涯拓寬了他的視野，也進(jìn)一步鍛造了他的學(xué)術(shù)能力。2000年入選中科院百人計(jì)劃，使他得以從容開展納米光子材料的研究。2005年，鄒炳鎖擔(dān)任湖南大學(xué)985二期平臺(tái)納米光子學(xué)方向首席科學(xué)家，2006年獲批教育部長(zhǎng)江學(xué)者。2009年，鄒炳鎖因工作需要調(diào)入北京理工大學(xué)，曾任北京理工大學(xué)材料學(xué)院院長(zhǎng)，現(xiàn)為該校微納技術(shù)中心負(fù)責(zé)人。

在微納技術(shù)領(lǐng)域不斷耕耘，鄒炳鎖取得一系列令人矚目的成果。而他卻總是把成績(jī)謙遜地歸因于自己“趕上了一個(gè)好時(shí)代”。

“面向未來的老師才是好老師”

對(duì)國(guó)家“科教興國(guó)”、“人才立國(guó)”的國(guó)策，他一直暗自慶幸；對(duì)一路上引導(dǎo)自己、幫助自己的師友，他一直心存感激，并且懷著這份感激去培養(yǎng)學(xué)生。他說：“與國(guó)家的需求相結(jié)合開展研究，不斷創(chuàng)新，這是我們這一代科學(xué)技術(shù)工作者的基本任務(wù)，二者的結(jié)合除成果外要以培養(yǎng)優(yōu)秀的人才為指標(biāo)?！薄爸笇?dǎo)學(xué)生，必須讓學(xué)生了解未來需要的東西”。中國(guó)是個(gè)世界大國(guó)，應(yīng)該有自己在世界上獨(dú)到的創(chuàng)新成果。

因此，鄒炳鎖一直以帶領(lǐng)學(xué)生走向世界前沿為目標(biāo)，以讓學(xué)生學(xué)到知識(shí)、能獨(dú)立解決問題做為自己當(dāng)老師的基本職責(zé)。每次開組會(huì)，他都要求學(xué)生講述第一流雜志上文章的成果，發(fā)動(dòng)大家討論，關(guān)鍵之處加以詳解，以此促使學(xué)生了解國(guó)際動(dòng)態(tài)，把握前沿問題，強(qiáng)化交叉能力，實(shí)踐創(chuàng)新，在有限的條件下解決重要的科學(xué)問題。努力的付出取得了卓越效果，很多學(xué)生已成長(zhǎng)為國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的骨干，在微納光子領(lǐng)域創(chuàng)造著一個(gè)又一個(gè)奇跡。

要研制出新的納米光子學(xué)原理與器件，首先需要新結(jié)構(gòu)的微納材料，新光源、光學(xué)隱身、高分辨探測(cè)與成像等都是亟待解決的問題。如今，鄒炳鎖教授正在負(fù)責(zé)建設(shè)北京理工大學(xué)的微納技術(shù)中心。這個(gè)中心匯聚了一批優(yōu)秀的青年人才，以納米新材料設(shè)計(jì)、納米光子學(xué)技術(shù)、微納系統(tǒng)、光電器件為主要發(fā)展方向，以微加工和微光電檢測(cè)為手段解決交叉學(xué)科問題。相信通過數(shù)年的努力，這個(gè)中心將能夠?yàn)閲?guó)家在納米光子學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)更多的成果和人才。