本刊記者 褚 焱 艾文彪

見微識著 照亮未來
——記北京理工大學(xué)教授、長江學(xué)者鄒炳鎖

本刊記者 褚 焱 艾文彪

納米——超微世界的單位，使人們正越來越向微觀世界深入，認識、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。

光子——電磁輻射的載體，具有遠快于電子的風(fēng)馳電掣般的傳播速度，滿足信息時代信息爆炸性增長的需要，是探索未知世界的工具。

當納米技術(shù)和光子學(xué)技術(shù)結(jié)合在一起時，將發(fā)揮更大威力改變?nèi)祟惖纳?。目前它在飛速地發(fā)展。這門新興的交叉學(xué)科在信息、能源、生命、環(huán)保、宇航、國防等領(lǐng)域均已產(chǎn)生新的重要應(yīng)用。正因為如此，目前國際上主要發(fā)達國家均制定了“納米光子學(xué)”的發(fā)展路線圖。在我國，納米光子學(xué)的發(fā)展也日益受到重視，未來發(fā)展前程似錦。

北京理工大學(xué)材料學(xué)院鄒炳鎖教授及其科研團隊長期從事納米光子學(xué)材料和技術(shù)的研究，力圖通過新的微納光子結(jié)構(gòu)的設(shè)計和物性研究，實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)內(nèi)部光子、激子、電子和其它元激發(fā)的調(diào)控，使之發(fā)揮光子波動性的相干和耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)和拓展新的量子效應(yīng)，實現(xiàn)更新一代更高效率、更快響應(yīng)、更寬范圍響應(yīng)的新型光子器件，甚至實現(xiàn)超材料（metamaterials）。

“納米光子雖小，照亮我們未來的路”

在光子學(xué)領(lǐng)域，意義最大的莫過于產(chǎn)生激光，也就是相干光子，它已經(jīng)徹底改變了我們的生活。但是如何制作更小的并可大范圍調(diào)諧的相干光子一直是一個難題。制約這一進步的主要因素就是材料問題。鄒炳鎖教授領(lǐng)銜的納米光子學(xué)小組另辟蹊徑，采用納米結(jié)構(gòu)一維生長技術(shù)，避免了材料中的成分結(jié)構(gòu)應(yīng)力配合問題，做出了成分可大范圍調(diào)節(jié)的納米線，其方法比哈佛大學(xué)得到超晶格微納結(jié)構(gòu)所采用的外延法要簡單得多，調(diào)諧范圍也要寬得多。此后，通過進一步國際合作，實現(xiàn)了從綠光、黃光、橙光到紅光的單芯片上可調(diào)諧的激光發(fā)射，從而解決了這一國際難題，受到國際國內(nèi)科技網(wǎng)站的廣泛報道。

據(jù)鄒炳鎖教授介紹，該項成果的材料用途廣泛，可應(yīng)用于新光源、光通訊、分子和生物傳感、太陽能電池等領(lǐng)域。例如，在新光源領(lǐng)域，改用這種材料的發(fā)光器件，同等條件下更明亮、更節(jié)能；在光通訊領(lǐng)域，應(yīng)用該成果可很好地改善光子元件的性能，大大提高光通訊的效能；在分子和生物傳感與檢測領(lǐng)域，應(yīng)用該成果將能制備出與原來完全不同的可以自主發(fā)光的傳感器件，大幅提高分子和生物傳感與檢測的效率或靈敏度；應(yīng)用于太陽能電池，可以使不同波長的光得到最大的轉(zhuǎn)換，將極大提高電池整體光電轉(zhuǎn)換效率。

不斷拓展研究領(lǐng)域，攻克科學(xué)難題是鄒炳鎖認為科研人最可貴的品質(zhì)。低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的激子的波色——愛因斯坦凝聚（BEC）研究是長期的研究難點之一，鄒炳鎖一直致力于這個領(lǐng)域的研究，期待利用空間的維度和限域效應(yīng)可像磁場和光場限域原子或分子一樣限域激子，從而更容易使激子凝聚。他領(lǐng)導(dǎo)的團隊在一維半導(dǎo)體超晶格微米線的制備與光學(xué)性質(zhì)的研究方面取得了突破。經(jīng)過反復(fù)試驗，利用折射率和帶隙不同的材料周期性組合，制成了一維光學(xué)關(guān)聯(lián)多微腔，使光子和激子同時受到限制并耦合，形成了“激子和光子的復(fù)合晶格”，可同時發(fā)射不同波長的相干光子，光子長程關(guān)聯(lián)度顯著提高，為進一步的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

但是，鄒炳鎖又表示，過去的結(jié)果顯示，無論何種玻色子的凝聚，都需要極低溫下將數(shù)量有限的量子集中在微米尺度空間內(nèi)才可能實現(xiàn)。鄒炳鎖小組利用微量磁性離子微量摻雜強化了氧化鋅納米線中激子和聲子的相干耦合，形成一維雙聲子極化激子，這類激子可在飛秒激光的高密度激發(fā)此類特定摻雜濃度的氧化鋅納米線微腔中產(chǎn)生類BEC現(xiàn)象。這一結(jié)果也證明了一維納米線的磁性離子可穩(wěn)定激子，調(diào)控納米結(jié)構(gòu)中元激發(fā)間的相互作用，導(dǎo)致出現(xiàn)一些過去難以出現(xiàn)的微觀和宏觀物理現(xiàn)象。

除了這些量子線，鄒炳鎖的實驗室還制備了很多種尺寸可控的量子點，發(fā)光效率高、穩(wěn)定性佳，界面可控，可用于生物標記，相關(guān)成果得到了美國科學(xué)院與工程院雙料院士、生物醫(yī)學(xué)工程奠基人R.Langer教授在其綜述中的高度評價，認為可能作為研究干細胞的標準方法。事實上，鄒炳鎖團隊也已開始了利用量子點標記癌細胞的嘗試，未來可能有更多在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。

以上的描述當然不能盡數(shù)鄒炳鎖教授200多篇SCI論文、數(shù)十場國內(nèi)外學(xué)術(shù)報告的全部內(nèi)涵。但它們反映了一個事實：納米結(jié)構(gòu)包含了豐富的內(nèi)涵，就像我國科技發(fā)展綱要所言，“納米技術(shù)將帶來新的技術(shù)革命，解決人類當前面臨的包括能源、信息、生命、環(huán)境、安全等難題”，而納米光子學(xué)的迅速發(fā)展必將見前人所難見，解前人所難解之題，隱人欲隱，見微識著，照亮我們未來的道路。

“我們趕上了一個好時代”

輝煌的背后往往是默默的付出與不懈的努力。然而鄒炳鎖只跟我們談他的“幸運”，對艱辛只字不提。但我們從他平淡的話語中依然可以讀出他一路走來的堅定與執(zhí)著。

1981年，17歲的鄒炳鎖考入了吉林大學(xué)化學(xué)系，學(xué)習(xí)無機合成化學(xué)。但他志在物理，因為那是他從中學(xué)以來的夢想。于是，在選擇研究生專業(yè)時，他毫不猶豫地選擇了物理化學(xué)學(xué)科，進入“凝聚態(tài)物質(zhì)中的光物理與光化學(xué)”課題組。在這里，鄒炳鎖得遇良師，對國際動態(tài)敏銳無比的肖良質(zhì)教授將他引入納米材料的研究領(lǐng)域，而物理思想深厚、科學(xué)目光深邃如炬的李鐵津教授則教給了他各種光譜學(xué)的手段，指導(dǎo)他如何把物理與化學(xué)完美地結(jié)合。從此，一個暫新的世界——納米光子學(xué)這個交叉領(lǐng)域逐步在他面前展開。

心中有夢想，便能目無旁物，專注于一。在圖書館里，他如饑似渴地汲取知識的養(yǎng)分；在實驗室里，他樂此不疲地探索未知的世界。徜徉在知識的海洋里，他感到自己是那么渺小，他只有奮楫揚帆，以期早日到達彼岸。1991年，他的博士論文《量子限域超微粒的制備、表征和光學(xué)性質(zhì)研究》通過了答辯，這可說是國內(nèi)最早的“量子限域——quantum confinement”的中文提法。其中對納米微粒光學(xué)非線性的成果，可以說是開國內(nèi)化學(xué)博士生與物理合作研究的先河。從此，納米研究中物理和化學(xué)無法分家。

1994年，于南開大學(xué)光學(xué)所博士后出站后，鄒炳鎖來到中科院物理所工作。在這里，他再一次遇到“貴人”。中科院物理所是國內(nèi)物理研究領(lǐng)域的先鋒，有解思深院士、楊國禎院士等學(xué)界泰斗，在他們的支持和指導(dǎo)下，鄒炳鎖如大鵬展翅，任意翱翔。1996年開始，在新加坡國立大學(xué)和美國佐治亞理工學(xué)院三年的海外訪問學(xué)者生涯拓寬了他的視野，也進一步鍛造了他的學(xué)術(shù)能力。2000年入選中科院百人計劃，使他得以從容開展納米光子材料的研究。2005年，鄒炳鎖擔任湖南大學(xué)985二期平臺納米光子學(xué)方向首席科學(xué)家，2006年獲批教育部長江學(xué)者。2009年，鄒炳鎖因工作需要調(diào)入北京理工大學(xué)，曾任北京理工大學(xué)材料學(xué)院院長，現(xiàn)為該校微納技術(shù)中心負責(zé)人。

在微納技術(shù)領(lǐng)域不斷耕耘，鄒炳鎖取得一系列令人矚目的成果。而他卻總是把成績謙遜地歸因于自己“趕上了一個好時代”。

“面向未來的老師才是好老師”

對國家“科教興國”、“人才立國”的國策，他一直暗自慶幸；對一路上引導(dǎo)自己、幫助自己的師友，他一直心存感激，并且懷著這份感激去培養(yǎng)學(xué)生。他說：“與國家的需求相結(jié)合開展研究，不斷創(chuàng)新，這是我們這一代科學(xué)技術(shù)工作者的基本任務(wù)，二者的結(jié)合除成果外要以培養(yǎng)優(yōu)秀的人才為指標。”“指導(dǎo)學(xué)生，必須讓學(xué)生了解未來需要的東西”。中國是個世界大國，應(yīng)該有自己在世界上獨到的創(chuàng)新成果。

因此，鄒炳鎖一直以帶領(lǐng)學(xué)生走向世界前沿為目標，以讓學(xué)生學(xué)到知識、能獨立解決問題做為自己當老師的基本職責(zé)。每次開組會，他都要求學(xué)生講述第一流雜志上文章的成果，發(fā)動大家討論，關(guān)鍵之處加以詳解，以此促使學(xué)生了解國際動態(tài)，把握前沿問題，強化交叉能力，實踐創(chuàng)新，在有限的條件下解決重要的科學(xué)問題。努力的付出取得了卓越效果，很多學(xué)生已成長為國內(nèi)外研究機構(gòu)的骨干，在微納光子領(lǐng)域創(chuàng)造著一個又一個奇跡。

要研制出新的納米光子學(xué)原理與器件，首先需要新結(jié)構(gòu)的微納材料，新光源、光學(xué)隱身、高分辨探測與成像等都是亟待解決的問題。如今，鄒炳鎖教授正在負責(zé)建設(shè)北京理工大學(xué)的微納技術(shù)中心。這個中心匯聚了一批優(yōu)秀的青年人才，以納米新材料設(shè)計、納米光子學(xué)技術(shù)、微納系統(tǒng)、光電器件為主要發(fā)展方向，以微加工和微光電檢測為手段解決交叉學(xué)科問題。相信通過數(shù)年的努力，這個中心將能夠為國家在納米光子學(xué)領(lǐng)域貢獻更多的成果和人才。