紅外探物 矢志不渝|重點實驗室巡禮

作者 |鄭金武

紅外物理國家重點實驗室成員在2019年國慶期間合影。

王建祿團隊的脈衝雷射沉積系統。

陸衛團隊在實驗室開展研究。

李天信團隊開展埃尺度的原子特徵研究。

先進的實驗條件。

2019年實驗室學術委員會合影。

茫茫太空，眾多人造太空飛行器在按既定軌道翱翔的同時，還要做到實時精準對地「觀測」。如何讓衛星、飛船等太空飛行器上的「天眼」看得清、看得遠、看得準，核心關鍵技術攻關迫切需要基礎研究與應用基礎研究先行。

依託中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱上海技物所）建設的紅外物理國家重點實驗室，是一支始終瞄準國家使命性任務和面向世界科學前沿、在紅外物理應用基礎領域已具有國際影響力的創新團隊。

「立足國際前沿、瞄準國家需求，打造在國際上具有重要影響的科學研究創新基地、高層次專業人才培養基地、解決國家『有和無』的基地。」經過數十年發展，紅外物理國家重點實驗室主任陳效雙堅定地認為，實驗室走的「紅外光電子物理與光電操控的應用基礎研究」之路是正確的。

「紅」脈相承

「白手起家，勇於創新」，是老一輩科研工作者的座右銘，也是紅外物理國家重點實驗室的標籤和基因。

上海技物所開展紅外光學研究的歷史，可以追溯到上世紀50年代。1951年，中國科學院院士湯定元從國外留學回國在上海技物所工作後，選擇了半導體物理作為自己的研究方向，並在工作小組中主要研究半導體的光學及光電性能。

在從事半導體的研究中，湯定元極具戰略眼光地認識到紅外技術對國家安全的重要性。他提筆向國家主管部門和聶榮臻元帥「請戰」，建議我國部署紅外研究工作。

隨著紅外物理逐漸成為研究的熱點，紅外物理國家重點實驗室第一、二屆主任，中國科學院院士沈學礎和同事們白手起家，建立了紅外物理實驗室，致力於用紅外的方法研究物體的性質，同時用這些研究成果促進紅外技術及應用的發展。

起步初期，實驗室發展異常艱難，在研究所的倉庫裡開始，沈學礎和同事們一步步像養孩子一樣把實驗室「拉扯大」。由於發展迅速，1985年，紅外物理實驗室成為中國科學院開放實驗室；到1989年，實驗室正式被納入國家重點實驗室序列。

紅外物理國家重點實驗室第三、四屆主任，中國科學院院士褚君浩瞄準紅外物理熱點領域開展了重點布局。褚君浩長期從事紅外光電子材料和器件的研究，開展了用於紅外探測器的窄禁帶半導體碲鎘汞和鐵電薄膜的材料物理和器件研究，並提出了碲鎘汞的禁帶寬度等關係式，被國際上稱為CXT公式。

「做科研要敢於工作在前沿，要有志氣，要在前沿做出好的成果來。」褚君浩不僅身體力行，也把這樣的信念根植於實驗室的發展中。

實驗室第五、六屆主任陸衛在理論研究中，應用紅外磁光光譜手段，從實驗上直接驗證了Haldane禁帶理論猜想。這項工作屬國際首次，為磁學領域解決了重要理論命題的判別問題。

「從基礎研究到成果最終應用，實驗室有很好的傳承。」陸衛說。

正是這樣的創新傳承，使得實驗室的發展蒸蒸日上，為邁向具有國際重要影響的科學研究創新基地奠定了堅實基礎。

使命擔當

紅外物理學的應用基礎研究，是國際上六大顛覆性前沿科學之一，對未來發展有重要而深遠的戰略意義。

從東方紅一號人造衛星，到如今的墨子號、天宮二號等，紅外物理國家重點實驗室完成了為我國空間和安全重大工程技術的跨代發展提供學科支撐的使命。

「有賴於長期學科基礎積累，立足紅外物理學的應用基礎研究，實驗室承擔了大量的國家中長期規劃和國家重大科學計劃，有力推動了我國空間技術的發展。」陳效雙介紹。

目前，實驗室針對空間光電技術跨代發展需求，已形成較完備的紅外物理學科方向布局，圍繞「紅外物理、材料、器件及其光電探測新方法研究」領域，確立了實驗室的研究重點，凝練窄禁帶半導體物理、量子態調控、低能元激發物理、光譜學新技術、光電探測新方法與應用等5個研究方向。

「以現代紅外物理學為切入點，立足學科前沿和國家重大需求，圍繞紅外光譜、紅外系統、紅外器件等，開展了新機理、新概念、新材料、新器件、新技術、工程驗證和應用的全方位科研，形成了完整的學科鏈。」陳效雙說。

作為國家創新力量，紅外物理國家重點實驗室攻堅克難，取得了一個又一個突破。

在基礎研究領域，實驗室提出光場調控的新機理，實現了一種基於多子探測機制的反常光電響應，室溫光電增益高達5個數量級；利用電場調控的新思路，實現了對低維半導體的電子結構及光電特性的有效操控，有效抑制了暗電流，顯著增強了光電響應率。在關鍵技術方面，實驗室開展了「大面積紅外焦平面技術」科研攻關，並取得了重大突破，成為我國主導性紅外探測技術跨代發展的典型。

專家評價該成果「填補了我國在該領域的空白，解決了夜間成像觀測的難題，在海洋觀測、災害監測等應用領域，獲得了一批其他手段難以得到的重要目標信息」。這項突破也使我國成為繼美國之後，第二個有能力製造矽基碲鎘汞紅外焦平面器件的國家。

此外，隨著社會經濟需求的不斷提升，國家氣象衛星向著精細化方向發展，對地觀測空間解析度要求從1公裡提升到10米，長波紅外對海洋觀測溫度解析度要求從百毫開量級提升到幾十毫開量級。

而這對光電探測能力提出了新的要求。紅外物理國家重點實驗室經過深入攻關，取得的相關成果在氣象衛星「風雲4號」垂直探測儀上獲得應用，使得衛星對大氣實現了高精度溫度、溼度參數的垂直結構觀測，相當於對大氣進行CT掃描。這項成果領先國際至少5年。

世界氣象組織空間計劃衛星事務資深諮詢專家蒂爾曼·莫爾評價說：「國際氣象界都在迫切盼望使用這種新型數據；幹涉式大氣垂直探測儀將成為氣象衛星的重大突破，而中國氣象部門將在這一領域走在前列。」

此外，單光子偏振高保偏調製技術突破、紅外探測新機理新概念、微納光譜新方法等一系列科研進展，也成為實驗室發展的實力標籤。

陳效雙表示，近年來，實驗室承擔了「核高基」「高解析度對地觀測系統」「載人航天與探月工程」等國家科技重大專項，國家重點研發計劃「地球觀測與導航」「量子調控與量子信息」「戰略性先進電子材料」等重點專項，國家自然科學基金委創新研究群體項目、重大項目，以及國家重大工程型號任務等一系列聚焦國家核心競爭力的重大研究項目。

辛勤付出也迎來了累累碩果。近5年來，紅外物理國家重點實驗室獲得各類科技獎項共計17項，包括國家自然科學獎二等獎1項、國家技術發明獎二等獎1項、國家科技進步獎特等獎2項、國家科技進步獎一等獎1項、國家科技進步獎二等獎2項；在《科學》《自然—電子學》等期刊上發布多篇有影響力的論文；獲得發明專利授權數百項。

堅持專注

創新的事業離不開創新的人才和團隊。從湯定元、沈學礎、褚君浩等老一輩科研工作者，到目前的光電子學、光電子材料與器件、光電技術3支創新團隊，實現了老中青結合、互相交叉，為紅外物理國家重點實驗室的科研攻堅和創新發展積蓄了強大動能。

而打造「紅外領域高層次青年科技人才的培養基地」，也是實驗室的重要目標之一。

目前，實驗室擁有固定人員 71人，其中研究人員達 65人。在陳效雙看來，「堅持需求牽引、學科推動模式下人與事結合的人才培養模式」是實驗室多年來的探索實踐所得。

留學回國的研究人員中，陳建新近年來不斷攻關，發展了新一代紅外探測材料與器件；郝加明專注於等離激元光子學、超構材料和變換光學等領域，取得了重要進展。

而博士畢業留所的研究人員中，黃志明的創新性工作，豐富了太赫茲波的產生和探測技術；胡偉達的深入研究，推動了室溫二維材料紅外探測器的發展。

實驗室裡一批35歲左右的青年才俊也嶄露頭角。王建祿、周靖、李冠海等研究人員在國際重要學術期刊上發表了一系列重要論文，並獲得了多項重要榮譽，彰顯了實驗室強勁的發展後勁。

「我們實驗室在成立之初的主要目的，就是在紅外技術發展方面，為國家作出源源不斷的創新性和原創性貢獻。實驗室有這樣的文化，結合國家需求做好基礎研究。」黃志明認為這樣的理念已經深入到實驗室人員的骨子裡，「我來到這個環境中之後，也慢慢受這樣的影響，希望在前沿領域做些事情」。

「要堅持一個方向，還要專注，科研工作不能打一槍換個地方。」胡偉達訪談時的關鍵詞是「堅持、專注」，道出了紅外物理國家重點實驗室不斷取得重大突破、人才團隊不斷成長壯大的奧秘。

開放創新

栽下梧桐樹，引來金鳳凰。紅外物理國家重點實驗室的發展，不僅迎來了留學人才的回歸，也迎來了海外知名學者的訪問交流。

陳效雙表示，「開放、流動、聯合、競爭」是實驗室發展的八字方針。近年來，實驗室設立開放課題44項，總經費620萬元，佔開放運行費24.8%；同時，實驗室積極邀請美國、德國、日本、英國、加拿大等國知名學者來實驗室做6個月以上的訪問交流和合作。

在開放課題的支持下，紅外物理國家重點實驗室團隊與武漢大學教授廖蕾合作的「砷化銦基納米線器件研製及室溫紅外探測中的應用」成果、與復旦大學教授修發賢合作的「狄拉克和外爾半金屬的相變及光電特性研究」成果等，均在國際重要學術期刊上發表。

同時，實驗室團隊與國際知名學者開展了系列合作研究，包括與俄羅斯科學家Yury Andreev合作的太赫茲光源研究，與日本教授小宮山進在近場紅外光學系統與應用領域進行的研究，不僅促進了國際交流合作，也提升了實驗室的國際影響力。

面對良好的發展態勢，陳效雙卻主動查找問題。「目前，實驗室在高性能微納表徵工作條件方面，還有待加強；針對紅外物理基礎研究與國家空間光電前瞻性技術研究，交叉型優秀年輕人才成長和儲備還存在不足。」

陳效雙希望，實驗室設置、布局和人才配備既符合國際最新研究前沿和重大領域的發展趨勢，又滿足我國未來空間光電技術發展中應用基礎和前瞻技術的攻堅需求。

「實驗室發展與研究所發展實現了有機統一和良性互動。希望實驗室未來更聚焦於國家的科研水平提升，取得一些『從0到1』的突破。」上海技物所所長丁雷對紅外物理國家重點實驗室的發展寄予厚望。

實驗室小故事

學成歸來的三任實驗室「掌門」

作者 | 鄭金武

身在異鄉，心繫中華。在紅外物理國家重點實驗室的歷屆主任身上，「學成歸來」是一個獨特的標籤，也是一個非常有分量的標籤。

曾擔任中國科學院上海技術物理研究所所長、紅外物理國家重點實驗室學術委員會主任的湯定元，於1948年3月赴美國明尼蘇達大學物理系學習，同年轉入芝加哥大學物理系，並獲得碩士學位。

但在大洋彼岸求學的湯定元，無時無刻不在關心著祖國的發展。韓戰的爆發更讓他回國心切。為了避免因戰爭原因而被扣留，1951年春天，湯定元婉拒了導師的挽留，決定放棄博士學位，提前回國。

擺脫美國移民局的無理刁難後，湯定元乘船經過20多天行程，終於回到了日思夜想的祖國。他也成了新中國成立後在美留學生第一批回國的11人之一。是年8月，美國政府下令禁止中國留學生回中國，已經乘船到檀香山的人也被送返。

曾擔任實驗室第一、二屆主任的沈學礎，在1978年作為改革開放後首批出國留學人員，獲得了去德國馬普學會固體研究所留學的機會。

初到馬普學會固體所，沈學礎選擇了難度非常大的「雙光束傅立葉變換光譜」課題。他沒日沒夜地撲在實驗室裡，連值夜班的保安都認得了沈學礎，並對這個長期加夜班的中國人照顧有加。

在德國期間，沈學礎從圖書館借閱了許多資料，從中學習大量知識的同時，還發現了書中的一些謬誤。德國同行驚訝地說，他們中沒有一個人像沈學礎這樣細緻看文獻。

正是在德國，沈學礎「趕上了國際上固體光譜研究熱的末班車」。在實驗中，沈學礎對偶然發現的新光譜信號「窮追不捨」，並與另一位中國訪問學者合作觀察到了固體中的輕雜質低頻振動新譜峰。

起初，沈學礎的指導老師——固體光譜學大師卡多納教授對實驗結果不以為然，只說了句「除非你足夠幸運」。但最終事實證明，沈學礎的執著是正確的，他觀察到的現象可以歸結為一類新的雜質振動模式。

實驗室第三、四屆主任褚君浩，在碩士研究生畢業後，曾有機會去美國攻讀博士學位。但導師湯定元建議褚君浩留在國內讀博士，在國內也一樣可以做出出色的成績。

當時，到美國留學可以獲得3萬美元獎學金，而在國內讀研究生只有人民幣80多元的補貼，待遇差距很大。褚君浩考慮了很久，最後還是聽從湯定元的建議，留所讀博士。

1986年2月至1988年10月，褚君浩獲得德國洪堡基金，赴德國慕尼黑技術大學物理系從事半導體二維電子器件、遠紅外雷射器等領域的研究。那時，遠紅外雷射器很難調節，實驗室裡的許多人都調不穩，而只要褚君浩出手，就能把雷射器調得非常穩。

褚君浩說，導師湯定元先生的愛國精神一直在傳承，實驗室絕大多數出國求學的學子，都回國報效祖國。他們牢記出發時湯定元的殷殷囑託：學習結束後，有機會還是要回國發展。

紅外物理國家重點實驗室簡介

紅外物理國家重點實驗室是1985年中國科學院首批開放實驗室之一，1989年獲批國家重點實驗室建設，1992年通過驗收。實驗室始終堅持面向紅外物理的國際學術前沿、面向空間光電技術的國家重大需求、面向光電探測領域國民經濟主戰場，把探索光電過程中重要科學問題和解決國家對光電技術的重大需求相結合，努力建設成國內一流、國際先進的紅外光電子學及其前瞻性紅外光電技術的應用基礎研究基地和紅外領域高層次青年科技人才的培養基地。

紅外物理國家重點實驗室針對我國空間光電技術跨代發展需求已形成較完備的紅外物理學科方向布局，在「紅外物理、材料、器件及其光電探測新方法研究」領域，確立了實驗室的研究重點為窄禁帶半導體物理、量子態調控、低能元激發物理、光譜學新技術、光電探測新方法與應用等5個方向。

近幾年，紅外物理國家重點實驗室進一步加強科研條件和科研隊伍建設，不斷夯實科研基礎、提升創新能力、服務國家戰略需求、作出「紅外強國」應有貢獻，已取得了一系列創新成果，成為不可替代的國家戰略科技力量。

(紅外物理國家重點實驗室供圖)