以赤誠之心徜徉物理世界

嚴(yán)永紅

2009年8月31日，中新社舊金山分站發(fā)布了一條令人振奮的消息，稱“美、中科學(xué)家聯(lián)合研制出世界最小的半導(dǎo)體激光器”。其后，Nature、Science、Nature Photonics和Nature Nanotechnology等雜志及國內(nèi)外數(shù)十家媒體也相繼報(bào)道了這一激光物理學(xué)界堪稱里程碑式的事件，紛紛表示這一成果引發(fā)了對納米尺度下光學(xué)和激光作用的再思考，等離激元納米激光研究由此向前跨出重要一步。

與這項(xiàng)“表面等離激元激光技術(shù)”一同見諸報(bào)端的，是當(dāng)時(shí)的北京大學(xué)博士生馬仁敏，他作為項(xiàng)目的主要參與者之一，在研究過程中作出了重要貢獻(xiàn)。厚積薄發(fā)，如今6年過去了，馬仁敏仍舊奮戰(zhàn)在納米器件物理及應(yīng)用領(lǐng)域，研究也漸成系統(tǒng)。如今的他以北京大學(xué)研究員、博士生導(dǎo)師的新身份，詮釋著那顆熱愛科學(xué)的赤子之心。

一個(gè)單純的科研人

馬仁敏生于1982年，初為人父的他身上仍保留著單純的學(xué)生氣。他對自己的科研成果毫不夸耀，善于將復(fù)雜的物理知識(shí)用淺顯具象的方式表達(dá)出來，熱愛科研且不摻雜功利之心。

高中時(shí)代，馬仁敏逐漸愛上了物理。他說：“有時(shí)候人的命運(yùn)很奇妙，當(dāng)你遇到一個(gè)人或一件事，會(huì)埋下一粒種子，不經(jīng)意間就影響了一生。”那時(shí)，班里來了一位新物理老師，講課生動(dòng)有趣，馬仁敏在老師的帶領(lǐng)下體驗(yàn)到了別有一番趣味的物理世界。高考填報(bào)志愿的時(shí)候，馬仁敏跟隨興趣選擇了物理專業(yè)，從此在北京科技大學(xué)開始了自己的物理生涯。

事實(shí)上，馬仁敏也未曾料到物理專業(yè)如此適合他，課堂上對物理世界的每次更深的理解都是那樣愉悅，實(shí)驗(yàn)室的每一次嘗試都吊足了他求知的胃口，再加上長期形成的鉆研精神和不輕言放棄的科研態(tài)度，馬仁敏與物理科學(xué)一拍即合，“我覺得我真的對物理感興趣，這個(gè)東西帶給我無窮樂趣”。

本科畢業(yè)后，馬仁敏來到了北京大學(xué)攻讀博士學(xué)位，寬松自由的學(xué)術(shù)氛圍為他潛心物理世界創(chuàng)造了條件，科研變得更加順暢了。在北大，馬仁敏的才能獲得了進(jìn)一步的認(rèn)可和肯定，北京大學(xué)學(xué)術(shù)十杰、葉企孫實(shí)驗(yàn)物理獎(jiǎng)、北京大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生、全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文……這些獎(jiǎng)項(xiàng)無一不在證明著馬仁敏的實(shí)力。但對馬仁敏來說，他更看重的是鉆研的過程，他對科研的興趣和信心也在過程中進(jìn)一步深化。

豐碩成果是源于天賦還是另有秘籍？馬仁敏表示并不覺得自己很有天賦，但他說自己是個(gè)既悲觀又樂觀的人。悲觀讓他總把事情做最壞的打算，樂觀又讓他相信自己一定可以取得成果，“道路是曲折的，前途是光明的”，這是讓馬仁敏長期堅(jiān)持下來的原始動(dòng)力。“我很難說去放棄什么東西，只是想再試一次吧，再試一次吧”，每當(dāng)遇到難題，馬仁敏就這樣告訴自己，因?yàn)樗绖?chuàng)造的火光往往出現(xiàn)在即將絕望之時(shí)，如果提前放棄就可能錯(cuò)過一次機(jī)會(huì)。

做最小的激光器

激光是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，在醫(yī)學(xué)、信息、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛使用。多年來，馬仁敏致力于做更小的激光器，以推動(dòng)激光在基礎(chǔ)物理方面的研究和應(yīng)用。

什么是納米尺度的激光器？小到什么程度呢？馬仁敏形象地比喻：“把一根頭發(fā)切開，在它的直徑上可以放成千上萬個(gè)這種納米激光器。”在科技不斷進(jìn)步的今天，激光進(jìn)入納米尺度將產(chǎn)生很多價(jià)值，可以在通訊、量子光學(xué)、生物化學(xué)、傳感探測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，激光在實(shí)現(xiàn)微型化的過程中存在一個(gè)長期難以克服的問題，就是光學(xué)模式激光器尺寸受衍射極限限制，其腔長至少是其發(fā)射波長的一半，難以實(shí)現(xiàn)微型化。對這種量子物理的本質(zhì)現(xiàn)象，馬仁敏做了通俗的解釋：“由于物理上的限制，我們無法把光子放置在一個(gè)確定的地方，它會(huì)逃跑。所以激光不可能做得非常小?！?/p>

但是馬仁敏決心把“不可能”變成“可能”。在北大戴倫教授研究組讀博士期間，馬仁敏就開始嘗試研究增益介質(zhì)材料，初期研究情況良好。遠(yuǎn)在美國加州大學(xué)伯克利分校的張翔教授當(dāng)時(shí)也在做激光器的相關(guān)研究，但是一直沒有做微型激光器的增益材料，在聽聞馬仁敏的研究情況后，他寫信邀請其一同合作，于是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，難題在一次又一次的實(shí)驗(yàn)研究中終于被攻克，世界上首個(gè)等離激元激光器就此誕生。

在這項(xiàng)研究中，馬仁敏承擔(dān)了關(guān)鍵的半導(dǎo)體增益介質(zhì)材料CdS納米線的優(yōu)化合成工作，他通過氣相沉積和原位摻雜方法和手段，合成出高增益高質(zhì)量的CdS納米線，并將這種納米線用于等離激元激光器中的增益介質(zhì)和微腔，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了納米激光激射，為納米尺度激光物理和應(yīng)用研究鋪平了道路。

就是這次“世界上最小半導(dǎo)體”的問世，年輕的馬仁敏獲得了國內(nèi)外物理學(xué)界的關(guān)注。從北大畢業(yè)后，馬仁敏前往美國加州大學(xué)伯克利分校做博士后，跟隨張翔教授進(jìn)一步開展表面等離激元激光器的研究。

深入研究無停歇

最初，表面等離激元激光器有一個(gè)特點(diǎn)，就是在零下260多度的液氦溫度才能工作，這使得表面等離激元激光器無法在實(shí)際中應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)表面等離激元激光器在正常溫度下的使用，馬仁敏全身心投入科研工作，在加州大學(xué)伯克利分校開始了進(jìn)一步研究。

經(jīng)過不懈努力，馬仁敏將低損耗、亞衍射極限的金屬—絕緣體—半導(dǎo)體的表面等離激元混合模式與厚度僅為光波長十分之一的納米半導(dǎo)體薄片結(jié)合，得到具有高品質(zhì)因子的表面等離激元微腔，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)室溫表面等離激元激光器。這項(xiàng)工作成功突破了等離激元激光器只能工作在低溫下的限制，澄清了物理領(lǐng)域內(nèi)關(guān)于等離激元激光器可能只能在低溫下工作的質(zhì)疑。這一突破性成果再次獲得權(quán)威媒體的廣泛報(bào)道，被認(rèn)為極大地推動(dòng)了等離激元激光器走向應(yīng)用的進(jìn)程，為光信息高速路鋪平道路。

“方向性”是激光三大基本特征之一。納米尺度激光器由于受到光衍射的限制，出射光不具有很好的方向性，這直接導(dǎo)致納米激光器的應(yīng)用受到限制。馬仁敏介紹說：“當(dāng)把激光器做得特別小時(shí)，激光發(fā)射出去非常容易發(fā)散，它的強(qiáng)度就會(huì)變得很弱，所以我想解決這個(gè)問題，讓納米激光器的能量被充分利用。”endprint

為了實(shí)現(xiàn)激光的定向發(fā)射，馬仁敏首次提出并實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)嵌入型表面等離激元激光器。他巧妙地在光學(xué)納米波導(dǎo)中嵌入等離激元激光器，激光器的出射光有效的耦合進(jìn)入光學(xué)波導(dǎo)，從而很好地控制了納米級激光器出射光的方向性，將納米激光器向?qū)嵱没七M(jìn)了一大步。同時(shí)，馬仁敏還首次實(shí)現(xiàn)了等離激元激光器驅(qū)動(dòng)的納米光學(xué)回路，他解釋說：“這相當(dāng)于挖了一條水渠，可以引導(dǎo)出射光到你指定的地方去?！睆亩鵀榧{米光學(xué)器件小型化，并最終實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)光電集成鋪平道路。這項(xiàng)技術(shù)被美國國家科技委員會(huì)納米尺度科學(xué)、工程與技術(shù)分會(huì)的創(chuàng)始主席M.C.Roco博士譽(yù)為“最令人激動(dòng)的五種納米技術(shù)之一”。

除了做基礎(chǔ)研究，馬仁敏還將納米尺度等離激元激光器應(yīng)用于微量物質(zhì)的探測，成功實(shí)現(xiàn)了低于1ppb的爆炸物DNT的探測，比傳統(tǒng)無增益等離激元探測器靈敏度高了兩個(gè)量級。馬仁敏舉例說：“現(xiàn)在恐怖襲擊的形式花樣迭出，有些人試圖做更小的塑膠炸彈帶上飛機(jī)，而塑膠炸彈是很難用X線檢測到的，等離激元激光器為檢測這些爆炸物提供了可能。如果把這個(gè)對爆炸物分子非常靈敏的小東西放在機(jī)場等人比較多的地方，能對我們的安全起到一個(gè)重要的保障作用?！绷硗?，馬仁敏透露自己的一項(xiàng)專利被韓國三星公司看重，今后將投入到實(shí)際應(yīng)用中去。對此，馬仁敏直呼“很有意思”，此前他一直認(rèn)為自己的研究偏向于基礎(chǔ)理論，如今能獲得產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注、惠及民眾，馬仁敏感覺自己的科研事業(yè)變得更有意義了。

一份“不太正?！钡墓ぷ?/p>

2014年3月，做完博士后研究的馬仁敏收到了國外一些大學(xué)教職的入職通知書，但是他早已做了決定——回國。國外的自由、協(xié)作的科研環(huán)境馬仁敏當(dāng)然喜歡，他在美國的最深感受就是科研合作的無邊力量，然而作為一個(gè)中國人，最終還是要回到祖國母親的懷抱，他也迫不及待地想要支持和見證祖國美好的未來。

就這樣，馬仁敏入選“青年千人計(jì)劃”回國，來到母校北京大學(xué)任教。他說，要感謝“青年千人計(jì)劃”這個(gè)平臺(tái)，給了他們這些科學(xué)工作者“啟動(dòng)夢想”的機(jī)會(huì)。曾幾何時(shí)，讀研究生時(shí)的艱苦條件讓馬仁敏在經(jīng)濟(jì)上倍感壓力，但出于對科研的熱愛，他堅(jiān)持了下來，如今生活條件比以前好了很多，對物質(zhì)并沒有太多要求的他，對能夠在北大這個(gè)他曾經(jīng)讀書的地方工作做科研，馬仁敏感到很滿足。

作為年輕的博士生導(dǎo)師，馬仁敏與學(xué)生相處起來輕松隨意，他還興奮地告訴記者，學(xué)生們教會(huì)了他游泳。但馬仁敏對待科研格外嚴(yán)謹(jǐn)。他說，細(xì)致是一門學(xué)問，認(rèn)真才能贏得成功。面對來自不同專業(yè)的學(xué)生，馬仁敏想的是如何讓他們各盡其能、相互配合，“每個(gè)人的精力都是有限的，一個(gè)人不可能事事都干好?？墒亲隹蒲芯鸵衙總€(gè)環(huán)節(jié)都做到極致，只有每個(gè)人把自己負(fù)責(zé)的部分做好，團(tuán)隊(duì)的力量才能發(fā)揮到最大。而且在相互溝通協(xié)作的過程中，大家的能力也得到了提高。”

馬仁敏常對學(xué)生說：“不要把自己局限在一個(gè)地方，也不要認(rèn)為自己很多事做不了，一定要敢于嘗試?！边@份理念幫助他直面每一個(gè)困難，那些在凌晨得出的科研結(jié)果，都是“永不言棄”這四個(gè)字的真實(shí)寫照。在回國一年多后，他和學(xué)生成功實(shí)現(xiàn)了激射增強(qiáng)型等離激元探測器。該探測器比商業(yè)化的等離激元探測器的強(qiáng)度靈敏度高400倍左右。新的激射增強(qiáng)型等離激元探測器可以在溶液環(huán)境中穩(wěn)定工作，同時(shí)具有微型化，可陣列化的優(yōu)勢，在疾病的早期診斷、食品安全、環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

做科研需要全身心投入，在馬仁敏這里，“做科研沒有上下班，更沒有放假，科研人一天24小時(shí)都在想科研上的事情，即使待在家里，腦子里也還是被工作占據(jù)。所以說這不是一份正常的工作?！北M管嘴上抱怨，可馬仁敏心底卻是心甘情愿，同時(shí)也有一份對家人的理解和全力支持的感激。

走在科研的路上，馬仁敏的旅程才剛剛開始，他將回國后的主要研究方向定位于表面等離激元激光器的基礎(chǔ)物理研究及其在納米技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用。而在這一過程中，一批中國本土表面等離激元激光器物理及應(yīng)用人才必定崛起，一支具有國際領(lǐng)先水平的納米激光物理及應(yīng)用研究組即將走向世界。endprint