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基础打好,水到渠成

2020-04-04 11:27编辑:何莉人气:


 
 
基础打好,水到渠成  
——从介电体超晶格研究看原始创新  

基础打好,水到渠成

闵乃本(左二)、朱永元(左一)与青年教师徐平、赵刚讨论实验结果。

一束激光从一种被称之为介电体超晶格的晶体中穿过会产生不同颜色的激光,它也能产生神奇的纠缠光子,这种最初由中国科学家发明的微结构晶体现在已被广泛用于激光与量子信息技术。

南京大学闵乃本研究团队也因此站上了2006年国家自然科学一等奖的领奖台。

从开始组织研究团队到获奖,他们走过了整整19年。闵乃本曾直言:“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交叉综合的结晶。”

获奖以后,南京大学介电体超晶格研究一直没有停步。超晶格和微结构材料也逐渐发展成为国际学术界和产业界关注的热点。

发轫:探索有价值的科学问题

激光的发展依赖材料。上世纪70年代,南京大学物理系教授冯端、王业宁和闵乃本等人,将目光聚焦到功能晶体和非线性光学晶体。

为了研究这些新晶体,他们白手起家,搭起生长晶体炉。铌酸锂晶体,成为闵乃本最终“优中选优”的晶体。但在其生长过程中,他们发现常出现一种与生长条纹有关的微结构,大小在微米量级,科学上称之为“铁电畴”。而且,如果生长条纹是周期的,这种畴也按周期排列。

“严格地说,畴是晶体中的缺陷。”中科院院士、南京大学物理学院教授祝世宁向《中国科学报》解释说,“它影响了晶体的完整性与均匀性,进而也影响了晶体的性能和使用。”

看着晶体剖面显微照片,闵乃本等人考虑,既然这种周期性铁电畴很难消除,何不另辟蹊径,看看它是否有用?

他们想到诺贝尔奖得主、美国科学家布洛姆伯根提出的“准位相匹配理论”,虽然该理论预言在周期结构晶体中激光倍频可以有很高的转换效率,但这一理论并未被实验严格验证,其原因就是很难制备出严格按设计要求的周期结构晶体。

闵乃本等人立刻敏锐地意识到,具有周期畴的铌酸锂晶体也许能用来验证这一重要理论。经过摸索晶体生长条件,他们最终按照理论估算值生长出了这种周期畴结构晶体。实验时,当波长为1.06微米红外激光穿过晶体时,他们看到了所期待的明亮的倍频绿光,效率与理论估算值一致。

1982年,这项成果获得国家自然科学二等奖。获奖是值得自豪的,但这项工作的启示更有价值:微结构可以成为调控、提升材料性能,发展新效应的手段,具有“点石成金,变废为宝”的功效。

“原创性基础研究是要科学家通过自己的科学判断,探索有价值的科学问题。”祝世宁认为,这是新知识、新技术、新应用产生的不竭源泉。

坚守:千里之行始于足下

上世纪80年代初,南京大学物理系在国内率先开始了微结构材料研究,并于1984年在国家支持下筹建“固体微结构物理国家重点实验室”。同年,我国设立了国家自然科学基金。

两件大事令结束访学归国的闵乃本欢欣鼓舞。49岁的他开始着手组建自己的研究团队,并以周期结构铌酸锂晶体为突破口,探索微结构材料的学术体系。

受IBM公司江琦、朱兆祥有关半导体超晶格研究的启发,闵乃本针对非线性光学晶体大都是良好的绝缘体即介电体,提出了介电体超晶格的概念。

然而,在改革开放初期,受“搞原子弹不如卖茶叶蛋”的“脑体倒挂”现象影响,闵乃本的团队面临人才不断流失的困境。

痛定思痛,闵乃本决定从实际出发,先选拔一批优秀的学生作为自己的研究生,并以润物细无声的方式使得更多优秀的年轻人聚积到团队中来。

也是在那时,传来了以色列科学家丹·舍得曼发现物质的一种新的形态——准晶的消息。这一发现突破了人们对晶态物质的认识。受此启发,闵乃本提出设想: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?

经过三年探索,闵乃本和他的学生朱永元等建立了多重准位相匹配理论,预言一块准周期介电体超晶格有可能将一种颜色激光同时转换成二或三种颜色激光。

基础打好,水到渠成

用一块准周期(Fibonacci)光学超晶格首次实现高效激光直接三倍频。

尽管这一理论令他们兴奋不已,但论文发表在《物理评论B》后,按闵乃本自己的说法,“并没有在学术界引起多大的反响”。

有些失望的闵乃本发现,没有实验验证的理论,终究难以引起别人的重视。于是,他们开始寻找介电体超晶格的制备新技术。

(来源:网络整理)

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