2月27日,来自南京大学的中科院院士闵乃本先生以及朱永元教授、祝世宁教授、陆亚林教授、陆延青教授的课题组,凭借《介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用》课题，获得了2006年度国家自然科学一等奖――中国自然科学界科研成果的这一最高奖项。
获奖之际,闵乃本院士吐露心声,情真意切:“这一项目从提出
组建队伍合力攻关
1984年,中国发生的两件大事鼓舞了时为晶体生成领域新星的闵乃本先生,使他感到自己的学术设想有了实现的客观条件:一是中央决定建立国家自然科学基金会,二是南京大学固体微结构物理国家重点实验室成为国家计委确立建设的首批4个国家重点实验室之一。当时,闵乃本49岁,意识到自己最富有创造性的年华已过,凭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。当他1984年从美国访问归来后,便开始致力于组建团队,一边培养学生一边开拓研究。
为了解决人才的断层问题,闵乃本决定从77、78级学生中选拔一批优秀的年轻人做自己的研究生。1982年从南大毕业的朱永元先在苏州一家工厂工作了三年,1985年被闵先生慧眼识才,招进课题组专门做超晶格方面的研究;老三届毕业生祝世宁,年轻一些的陆亚林、陆延青也相继进入闵乃本先生课题组,成为他的博士生。考虑到研究项目从纯基础的科学很有可能发展到应用,于是从1986年开始,闵乃本设想可以招收一些具有工科背景的研究生。没有进入获奖名单的陈延峰原是西北工大的工学博士,后也被闵乃本招来做博士后研究;1999年后,课题组又先后引进了非线性光学专家王慧田教授和固体激光技术专家何京良教授一起进行合作。就这样,一支理工相结合、知识与年龄结构合理的梯队开始了漫长而艰辛的攀登之路。
1984年以前,高校的科研条件非常简陋，人才流失的现象也较为严重。在这种形势下,闵乃本考虑最多的就是如何留住人才,给愿意献身科学的青年人搭建施展才智的舞台。在他看来,一个学术群体的发展,不是随意招一批有潜质的人、添一批设备就可以成就的事情,而是一个包括学科知识、实验技能、研究成果等不断积淀的过程,还包括学术传统、学术氛围、科学精神的传承。置身在一个学术氛围良好的群体中,青年人就有可能在较短的时间内做出杰出的贡献。闵乃本对弟子的要求很高,国内一般的科研论文都是用中文撰写,当时朱永元在闵先生手下读研究生,他发表的第一篇论文就被要求用英文写作,闵先生这样告诫他:“我们的工作应该拿到国际上去竞争!”;朱永元还回忆说,闵先生指导学生的方式是与学生在一起讨论,提出的问题切中要害,常常让学生回答不了,却每次都能让朱永元受到启发,向更深的地方钻研;祝世宁印象最深的是,在他读研究生期间,每当发表研究论文时,闵先生总是把自己的名字放在学生的后面,而当祝世宁自己成为教师并开始带研究生后,闵先生又让祝世宁作为通讯作者。用闵乃本的话说:“你们做出来的工作首先是你们自己的工作,而不是首先是我的工作。你们应该排在我前面。”闵乃本对每一位取得科研成果的年青人莫不如此。
作为学术领导人,闵乃本深知,对年轻人仅有学术上的关心并不够,还必须关心、改善他们的生活,为他们安心科研工作创造条件。上世纪90年代初,有一次闵乃本去北京参加学术会议,在南京开往北京的列车上,认识了企业家吴思伟先生,素昧平生的两人聊得很投机,受闵乃本的感染,临别前,吴先生表示愿意无偿为改善青年研究人员的生活条件提供一笔资助。就这样,闵乃本用自己牵线的这笔资助在物理系、材料系和微结构实验室设立了“克力奖研金”,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。“这些客观的运气也为我们能在1997年之前的困难条件下保存一支队伍发挥了不小的作用。”闵乃本院士笑着说。
不仅要留住人才,还要对人才进行培养。当自己的学生留下来成为了合作者之后,闵乃本更是不遗余力地帮助他们走出国门,拓宽知识面。闵乃本课题组的每一位成员都在工作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。陆延青理论和实验能力兼备,在导师的支持下,毕业后到美国的大学工作了一段时间,而后进入美国高技术公司从事实际的研究开发,因而取得了丰富的光电子产业的经验,在美国的5、6年阅历让他有了更多的收获,最近刚刚回国。通过这种出国访学和交流,课题组成员增强了参与国际合作与竞争的意识与能力,眼界也更加开阔,促使课题的发展呈良性循环。
闵乃本院士直言:“在19年的研究过程中,功劳不能归在我一个人头上,我不过年长一点,是老师。实际上,朱永元教授在建立基础理论方面作了主要贡献,祝世宁教授在主要效应的验证和器件发展方面作了重要贡献,他们坚持合作了十几年,做了系统的工作。陆亚林教授、陆延青教授、陈延峰教授、王振林教授、王慧田教授、何京良教授在不同方面都作出了相应的贡献。可以说,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的综合结晶。”
甘于寂寞勇于创新
创新是闵乃本院士课题组摘得本届国家自然科学一等奖的关键所在。对于创新,闵乃本先生有着自己的独到见解:在继承前人的基础上加以发展,在发展当代前沿的过程中才能创新。这实际有一个积累的过程,是一个自然的过程,不能急于求成,要甘坐冷板凳。
“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。”1962年,美国的诺贝尔奖得主Bloembergen提出了准位相匹配理论,但是这个理论一直没有办法得到验证。直到上世纪70年代末,在冯端教授的带领下,闵乃本等巧妙地利用了在晶体生长过程中出现的生长条纹,研制出聚片多畴铌酸锂晶体,成功地验证了准位相匹配理论。这一成功使闵乃本敏锐地意识到这类微结构材料具有潜在的应用价值,于是萌生了发展和建立一套有关该类材料的系统理论并探索其应用前景的设想。
1984年,科学家发现了物质的一种新的形态――准晶。1986年,闵乃本考虑提出介电体超晶格的概念时开始设想:“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2至3年的探索,闵乃本和他的学生朱永元等建立了准周期超晶格的多重准位相匹配理论,预言“一块准周期的介电体超晶格有可能将一种颜色激光同时转换成三四种颜色的激光!”,虽然当时还?有实验结果,他们不敢下定论,但这一理论预言已让他们兴奋不已。然而,让大家没有想到的是,他们的这项研究成果于1990年在国际学术刊物《物理评论B》上发表后并未引起学术界的重视。刚开始,闵乃本心里很不是滋味,后来终于想通了:一个理论要得到国际上的承认,没有实验的验证不行。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,却总也没有找到突破口,这也是他们在19年中最为苦闷的时候。
1992年,闵乃本院士到香港中文大学访问,一面讲学一面在有空时翻阅最新的物理学杂志。有一天,忽然看到一篇报道说日本科学家利用半导体平面工艺制成了周期结构光波导,实现了激光倍频。“半导体平面工艺任何图样都能做,既然周期结构能行,那准周期也应该能实现!”这个想法一下触发了闵乃本院士的灵感。闵乃本院士赶紧把这篇文章传真到祝世宁的实验室,让他考虑一下这种方法。祝世宁很快反应过来,开始探索制备超晶格的新技术。他和实验室其他人员一起设计图案、光刻、做电极……终于用两年多的时间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。
1995年,课题组已能用这种新技术制备出周期超晶格。同年,闵乃本院士在日本参加光电子学国际会议,在做完关于准周期超晶格及效应的报告后,斯坦福大学的两位教授Byer和Fejer就“准周期介电体超晶格”的构造方法向闵先生求教,闵乃本院士向他们做了进一步解释。之后,闵乃本院士告诉一同参会的祝世宁说:“我已和斯坦福的Byer教授讨论了准周期介电体超晶格,如果他们要招一个物理系的学生弄清准周期的问题,很快就能赶上我们,因为他们的研究条件比我们好。所以我只能给你们两年期限,如果准周期超晶格还做不出来就不要做了!”承受着巨大的压力,祝世宁和朱永元经过一年多的努力,终于在1996年制备出了同时能出两种颜色激光的准周期介电体超晶格,并成功地用漂亮的实验验证了他们建立的多重准位相匹配理论。这项工作发表在世界级学术刊物《科学》上,引起了广泛的重视,入选科技部1998年度我国基础研究十大新闻。
闵乃本院士课题组经过近二十年的努力,为准位相匹配材料的研发奠定了基础,使国际上同行科学家逐渐关注介体电超晶格的应用前景。由于随后美国斯坦福大学一批科学家的介入,更使这一冷门领域逐渐走向热门,而此前,研究组坐了十年冷板凳。一组清晰的数据佐证了这段历史:据不完全统计,1980年至1990年这十年艰苦积累时期,国际上相关论文总数约有20余篇,闵乃本研究组就贡献了9篇。
自讨苦吃成就荣耀
随着国家自然科学基金的设立,863计划、攀登计划、973计划的实施,以及国家重点实验室的建立,课题组所在的南京大学固体微结构国家重点实验相继购置了激光器、电子显微镜、聚焦离子束等现代化仪器和设备,科研条件大幅改善。尤其是1995-1997年取得的巨大成功,更让闵乃本院士对该研究方向的选择充满了信心。在闵乃本院士看来,“我们国家和世界发达国家存在差距,要实现跨越式发展,我们这些科学工作者要立足于前沿,要付出更多的艰辛,这是中国科学家的历史责任。”
闵乃本院士坦言,“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之列，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。”
基于这一认识,课题组将已经取得的基础研究成果与全固体激光技术相结合,齐心协力,终于在2005年利用自己研制的介电体超晶格,研制成功全固态超晶格红、绿、蓝三基色和白光激光器。对一个以基础研究为主的课题组而言,要完成一台技术复杂的原型器件其难度可想而知,更何况他们不但制出了样机,还取得了4项国内发明专利和1项美国发明专利。据统计,近年来国际上从事该领域研究的研究组越来越多,在1997-2005年间,国际上相关论文总数达2000余篇,课题组在此期间贡献了46篇,约占总数的2%;这8年中,相关论文开始陆续出现在《Nature》、《Science》和物理学的顶级学术期刊《PhysicalReviewLetters》上。课题组先后在《Science》上发表论文3篇,在PRL上发表论文7篇,约占这三种学术期刊上该类论文总数的一半左右。课题组的研究结果被美、英、法、俄罗斯、日本等20余个国家的著名大学和实验室的研究组所引用。闵乃本、朱永元、祝世宁在国际会议上作邀请报告20余次,应国际学术刊物之邀撰写了4篇综述性文章。
“做科学工作,我体会的是自讨苦吃,没有钟点,没有假期,当然,入了迷以后就乐在其中。”闵乃本院士笑着说。在他的团队里,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,直到晚上十一二点才离开,大家已习以为常,19年来如一日。朱永元当年进入南大闵先生课题组后,不得不和在苏州工作的爱人分居两地,一分就是8年。用他自己的话说就是“那个时候,实验室就是我的家”。祝世宁清楚地记得,早年科研条件简陋,许多实验仪器都得向别人借。为了不耽误别人使用,保证不出问题,仪器工作时自己就在旁边守着,生怕漏掉一个结果,而且有些实验一做就是几天。对课题组的科研工作者而言,假期是自己科研的黄金时间。学生们也充满敬意地说,为了充分利用时间,很多导师几乎都要干到大年三十才收工。在导师们的榜样作用下,实验室的许多研究生坚持与导师一道把手头的事情处理完毕后才各自回家过年。
闵乃本院士对介电超晶格的应用前景有着更多的憧憬:“我们知道,一般的固体激光器只能出一种颜色的激光,用了我们的介电超晶格以后可同时出红、绿、蓝三种颜色的激光,或更多颜色的激光,这就为当代激光技术开拓了新用途,也开拓了光学和非线性光学的新领城。除了三基色激光器可以用于彩色显示外,还有许多事情可以做，如多波长激光器有可能去发展一种激光医疗仪器,它的好处在于有些病症的病灶对某一个波长的激光比较敏感,就可以用它来检测和定位,然后再用另一波长的激光对它进行手术治疗。当然,目前这只是可能的设想,还没有做出来。如果有医疗界、企业界愿意做,我们会很高兴与他们一起来讨论。”
祝福闵乃本院士和他的同事们,也祝福南京大学,期待不久的将来会有更多的原创性成果诞生在这片黄土地上。
