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2009年8月31日,中新社旧金山分站发布了一条令人振奋的消息,称“美、中科学家联合研制出世界最小的半导体激光器”.其后,Nature、Science、Nature Photonics和Nature Nanotechnology等杂志及国内外数十家媒体也相继报道了这一激光物理学界堪称里程碑式的事件,纷纷表示这一成果引发了对纳米尺度下光学和激光作用的再思考,等离激元纳米激光研究由此向前跨出重要一步.
和这项“表面等离激元激光技术”一同见诸报端的,是当时的北京大学博士生马仁敏,他作为项目的主要参和者之一,在研究过程中作出了重要贡献.厚积薄发,如今6年过去了,马仁敏仍旧奋战在纳米器件物理及应用领域,研究也渐成系统.如今的他以北京大学研究员、博士生导师的新身份,诠释着那颗热爱科学的赤子之心.
一个单纯的科研人
马仁敏生于1982年,初为人父的他身上仍保留着单纯的学生气.他对自己的科研成果毫不夸耀,善于将复杂的物理知识用浅显具象的方式表达出来,热爱科研且不掺杂功利之心.
高中时代,马仁敏逐渐爱上了物理.他说：“有时候人的命运很奇妙,当你遇到一个人或一件事,会埋下一粒种子,不经意间就影响了一生.”那时,班里来了一位新物理老师,讲课生动有趣,马仁敏在老师的带领下体验到了别有一番趣味的物理世界.高考填报志愿的时候,马仁敏跟随兴趣选择了物理专业,从此在北京科技大学开始了自己的物理生涯.
事实上,马仁敏也未曾料到物理专业如此适合他,课堂上对物理世界的每次更深的理解都是那样愉悦,实验室的每一次尝试都吊足了他求知的胃口,再加上长期形成的钻研精神和不轻言放弃的科研态度,马仁敏和物理科学一拍即合,“我觉得我真的对物理感兴趣,这个东西带给我无穷乐趣”.
本科毕业后,马仁敏来到了北京大学攻读博士学位,宽松自由的学术氛围为他潜心物理世界创造了条件,科研变得更加顺畅了.在北大,马仁敏的才能获得了进一步的认可和肯定,北京大学学术十杰、叶企孙实验物理奖、北京大学优秀毕业生、全国优秀博士学位论文等这些奖项无一不在证明着马仁敏的实力.但对马仁敏来说,他更看重的是钻研的过程,他对科研的兴趣和信心也在过程中进一步深化.
丰硕成果是源于天赋还是另有秘籍?马仁敏表示并不觉得自己很有天赋,但他说自己是个既悲观又乐观的人.悲观让他总把事情做最坏的打算,乐观又让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”,这是让马仁敏长期坚持下来的原始动力.“我很难说去放弃什么东西,只是想再试一次吧,再试一次吧”,每当遇到难题,马仁敏就这样告诉自己,因为他知道创造的火光往往出现在即将绝望之时,如果提前放弃就可能错过一次机会.
做最小的激光器
激光是20世纪的一项重大发明,在医学、信息、军事、工业等领域被广泛使用.多年来,马仁敏致力于做更小的激光器,以推动激光在基础物理方面的研究和应用.
什么是纳米尺度的激光器?小到什么程度呢?马仁敏形象地比喻：“把一根头发切开,在它的直径上可以放成千上万个这种纳米激光器.”在科技不断进步的今天,激光进入纳米尺度将产生很多价值,可以在通讯、量子光学、生物化学、传感探测等领域广泛应用.然而,激光在实现微型化的过程中存在一个长期难以克服的问题,就是光学模式激光器尺寸受衍射极限限制,其腔长至少是其发射波长的一半,难以实现微型化.对这种量子物理的本质现象,马仁敏做了通俗的解释：“由于物理上的限制,我们无法把光子放置在一个确定的地方,它会逃跑.所以激光不可能做得非常小.”
但是马仁敏决心把“不可能”变成“可能”.在北大戴伦教授研究组读博士期间,马仁敏就开始尝试研究增益介质材料,初期研究情况良好.远在美国加州大学伯克利分校的张翔教授当时也在做激光器的相关研究,但是一直没有做微型激光器的增益材料,在听闻马仁敏的研究情况后,他写信邀请其一同合作,于是强强联合,难题在一次又一次的实验研究中终于被攻克,世界上首个等离激元激光器就此诞生.
在这项研究中,马仁敏承担了关键的半导体增益介质材料CdS纳米线的优化合成工作,他通过气相沉积和原位掺杂方法和手段,合成出高增益高质量的CdS纳米线,并将这种纳米线用于等离激元激光器中的增益介质和微腔,在世界上首次实现了纳米激光激射,为纳米尺度激光物理和应用研究铺平了道路.
就是这次“世界上最小半导体”的问世,年轻的马仁敏获得了国内外物理学界的关注.从北大毕业后,马仁敏前往美国加州大学伯克利分校做博士后,跟随张翔教授进一步开展表面等离激元激光器的研究.
深入研究无停歇
最初,表面等离激元激光器有一个特点,就是在零下260多度的液氦温度才能工作,这使得表面等离激元激光器无法在实际中应用.为了实现表面等离激元激光器在正常温度下的使用,马仁敏全身心投入科研工作,在加州大学伯克利分校开始了进一步研究.
经过不懈努力,马仁敏将低损耗、亚衍射极限的金属—绝缘体—半导体的表面等离激元混合模式和厚度仅为光波长十分之一的纳米半导体薄片结合,得到具有高品质因子的表面等离激元微腔,实现了首个室温表面等离激元激光器.这项工作成功突破了等离激元激光器只能工作在低温下的限制,澄清了物理领域内关于等离激元激光器可能只能在低温下工作的质疑.这一突破性成果再次获得权威媒体的广泛报道,被认为极大地推动了等离激元激光器走向应用的进程,为光信息高速路铺平道路.
“方向性”是激光三大基本特征之一.纳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,这直接导致纳米激光器的应用受到限制.马仁敏介绍说：“当把激光器做得特别小时,激光发射出去非常容易发散,它的强度就会变得很弱,所以我想解决这个问题,让纳米激光器的能量被充分利用.”
赤诚论文参考资料：
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