以赤誠之心徜徉物理世界

嚴永紅

2009年8月31日，中新社舊金山分站發布了一條令人振奮的消息，稱“美、中科學家聯合研制出世界最小的半導體激光器”。其后，Nature、Science、Nature Photonics和Nature Nanotechnology等雜志及國內外數十家媒體也相繼報道了這一激光物理學界堪稱里程碑式的事件，紛紛表示這一成果引發了對納米尺度下光學和激光作用的再思考，等離激元納米激光研究由此向前跨出重要一步。

與這項“表面等離激元激光技術”一同見諸報端的，是當時的北京大學博士生馬仁敏，他作為項目的主要參與者之一，在研究過程中作出了重要貢獻。厚積薄發，如今6年過去了，馬仁敏仍舊奮戰在納米器件物理及應用領域，研究也漸成系統。如今的他以北京大學研究員、博士生導師的新身份，詮釋著那顆熱愛科學的赤子之心。

一個單純的科研人

馬仁敏生于1982年，初為人父的他身上仍保留著單純的學生氣。他對自己的科研成果毫不夸耀，善于將復雜的物理知識用淺顯具象的方式表達出來，熱愛科研且不摻雜功利之心。

高中時代，馬仁敏逐漸愛上了物理。他說：“有時候人的命運很奇妙，當你遇到一個人或一件事，會埋下一粒種子，不經意間就影響了一生。”那時，班里來了一位新物理老師，講課生動有趣，馬仁敏在老師的帶領下體驗到了別有一番趣味的物理世界。高考填報志愿的時候，馬仁敏跟隨興趣選擇了物理專業，從此在北京科技大學開始了自己的物理生涯。

事實上，馬仁敏也未曾料到物理專業如此適合他，課堂上對物理世界的每次更深的理解都是那樣愉悅，實驗室的每一次嘗試都吊足了他求知的胃口，再加上長期形成的鉆研精神和不輕言放棄的科研態度，馬仁敏與物理科學一拍即合，“我覺得我真的對物理感興趣，這個東西帶給我無窮樂趣”。

本科畢業后，馬仁敏來到了北京大學攻讀博士學位，寬松自由的學術氛圍為他潛心物理世界創造了條件，科研變得更加順暢了。在北大，馬仁敏的才能獲得了進一步的認可和肯定，北京大學學術十杰、葉企孫實驗物理獎、北京大學優秀畢業生、全國優秀博士學位論文……這些獎項無一不在證明著馬仁敏的實力。但對馬仁敏來說，他更看重的是鉆研的過程，他對科研的興趣和信心也在過程中進一步深化。

豐碩成果是源于天賦還是另有秘籍？馬仁敏表示并不覺得自己很有天賦，但他說自己是個既悲觀又樂觀的人。悲觀讓他總把事情做最壞的打算，樂觀又讓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”，這是讓馬仁敏長期堅持下來的原始動力?！拔液茈y說去放棄什么東西，只是想再試一次吧，再試一次吧”，每當遇到難題，馬仁敏就這樣告訴自己，因為他知道創造的火光往往出現在即將絕望之時，如果提前放棄就可能錯過一次機會。

做最小的激光器

激光是20世紀的一項重大發明，在醫學、信息、軍事、工業等領域被廣泛使用。多年來，馬仁敏致力于做更小的激光器，以推動激光在基礎物理方面的研究和應用。

什么是納米尺度的激光器？小到什么程度呢？馬仁敏形象地比喻：“把一根頭發切開，在它的直徑上可以放成千上萬個這種納米激光器。”在科技不斷進步的今天，激光進入納米尺度將產生很多價值，可以在通訊、量子光學、生物化學、傳感探測等領域廣泛應用。然而，激光在實現微型化的過程中存在一個長期難以克服的問題，就是光學模式激光器尺寸受衍射極限限制，其腔長至少是其發射波長的一半，難以實現微型化。對這種量子物理的本質現象，馬仁敏做了通俗的解釋：“由于物理上的限制，我們無法把光子放置在一個確定的地方，它會逃跑。所以激光不可能做得非常小?！?/p>

但是馬仁敏決心把“不可能”變成“可能”。在北大戴倫教授研究組讀博士期間，馬仁敏就開始嘗試研究增益介質材料，初期研究情況良好。遠在美國加州大學伯克利分校的張翔教授當時也在做激光器的相關研究，但是一直沒有做微型激光器的增益材料，在聽聞馬仁敏的研究情況后，他寫信邀請其一同合作，于是強強聯合，難題在一次又一次的實驗研究中終于被攻克，世界上首個等離激元激光器就此誕生。

在這項研究中，馬仁敏承擔了關鍵的半導體增益介質材料CdS納米線的優化合成工作，他通過氣相沉積和原位摻雜方法和手段，合成出高增益高質量的CdS納米線，并將這種納米線用于等離激元激光器中的增益介質和微腔，在世界上首次實現了納米激光激射，為納米尺度激光物理和應用研究鋪平了道路。

就是這次“世界上最小半導體”的問世，年輕的馬仁敏獲得了國內外物理學界的關注。從北大畢業后，馬仁敏前往美國加州大學伯克利分校做博士后，跟隨張翔教授進一步開展表面等離激元激光器的研究。

深入研究無停歇

最初，表面等離激元激光器有一個特點，就是在零下260多度的液氦溫度才能工作，這使得表面等離激元激光器無法在實際中應用。為了實現表面等離激元激光器在正常溫度下的使用，馬仁敏全身心投入科研工作，在加州大學伯克利分校開始了進一步研究。

經過不懈努力，馬仁敏將低損耗、亞衍射極限的金屬—絕緣體—半導體的表面等離激元混合模式與厚度僅為光波長十分之一的納米半導體薄片結合，得到具有高品質因子的表面等離激元微腔，實現了首個室溫表面等離激元激光器。這項工作成功突破了等離激元激光器只能工作在低溫下的限制，澄清了物理領域內關于等離激元激光器可能只能在低溫下工作的質疑。這一突破性成果再次獲得權威媒體的廣泛報道，被認為極大地推動了等離激元激光器走向應用的進程，為光信息高速路鋪平道路。

“方向性”是激光三大基本特征之一。納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，這直接導致納米激光器的應用受到限制。馬仁敏介紹說：“當把激光器做得特別小時，激光發射出去非常容易發散，它的強度就會變得很弱，所以我想解決這個問題，讓納米激光器的能量被充分利用?！眅ndprint

為了實現激光的定向發射，馬仁敏首次提出并實現了波導嵌入型表面等離激元激光器。他巧妙地在光學納米波導中嵌入等離激元激光器，激光器的出射光有效的耦合進入光學波導，從而很好地控制了納米級激光器出射光的方向性，將納米激光器向實用化推進了一大步。同時，馬仁敏還首次實現了等離激元激光器驅動的納米光學回路，他解釋說：“這相當于挖了一條水渠，可以引導出射光到你指定的地方去。”從而為納米光學器件小型化，并最終實現芯片內光電集成鋪平道路。這項技術被美國國家科技委員會納米尺度科學、工程與技術分會的創始主席M.C.Roco博士譽為“最令人激動的五種納米技術之一”。

除了做基礎研究，馬仁敏還將納米尺度等離激元激光器應用于微量物質的探測，成功實現了低于1ppb的爆炸物DNT的探測，比傳統無增益等離激元探測器靈敏度高了兩個量級。馬仁敏舉例說：“現在恐怖襲擊的形式花樣迭出，有些人試圖做更小的塑膠炸彈帶上飛機，而塑膠炸彈是很難用X線檢測到的，等離激元激光器為檢測這些爆炸物提供了可能。如果把這個對爆炸物分子非常靈敏的小東西放在機場等人比較多的地方，能對我們的安全起到一個重要的保障作用?！绷硗?，馬仁敏透露自己的一項專利被韓國三星公司看重，今后將投入到實際應用中去。對此，馬仁敏直呼“很有意思”，此前他一直認為自己的研究偏向于基礎理論，如今能獲得產業界的關注、惠及民眾，馬仁敏感覺自己的科研事業變得更有意義了。

一份“不太正?！钡墓ぷ?/p>

2014年3月，做完博士后研究的馬仁敏收到了國外一些大學教職的入職通知書，但是他早已做了決定——回國。國外的自由、協作的科研環境馬仁敏當然喜歡，他在美國的最深感受就是科研合作的無邊力量，然而作為一個中國人，最終還是要回到祖國母親的懷抱，他也迫不及待地想要支持和見證祖國美好的未來。

就這樣，馬仁敏入選“青年千人計劃”回國，來到母校北京大學任教。他說，要感謝“青年千人計劃”這個平臺，給了他們這些科學工作者“啟動夢想”的機會。曾幾何時，讀研究生時的艱苦條件讓馬仁敏在經濟上倍感壓力，但出于對科研的熱愛，他堅持了下來，如今生活條件比以前好了很多，對物質并沒有太多要求的他，對能夠在北大這個他曾經讀書的地方工作做科研，馬仁敏感到很滿足。

作為年輕的博士生導師，馬仁敏與學生相處起來輕松隨意，他還興奮地告訴記者，學生們教會了他游泳。但馬仁敏對待科研格外嚴謹。他說，細致是一門學問，認真才能贏得成功。面對來自不同專業的學生，馬仁敏想的是如何讓他們各盡其能、相互配合，“每個人的精力都是有限的，一個人不可能事事都干好。可是做科研就要把每個環節都做到極致，只有每個人把自己負責的部分做好，團隊的力量才能發揮到最大。而且在相互溝通協作的過程中，大家的能力也得到了提高?！?/p>

馬仁敏常對學生說：“不要把自己局限在一個地方，也不要認為自己很多事做不了，一定要敢于嘗試?！边@份理念幫助他直面每一個困難，那些在凌晨得出的科研結果，都是“永不言棄”這四個字的真實寫照。在回國一年多后，他和學生成功實現了激射增強型等離激元探測器。該探測器比商業化的等離激元探測器的強度靈敏度高400倍左右。新的激射增強型等離激元探測器可以在溶液環境中穩定工作，同時具有微型化，可陣列化的優勢，在疾病的早期診斷、食品安全、環境衛生等領域有著很好的應用前景。

做科研需要全身心投入，在馬仁敏這里，“做科研沒有上下班，更沒有放假，科研人一天24小時都在想科研上的事情，即使待在家里，腦子里也還是被工作占據。所以說這不是一份正常的工作。”盡管嘴上抱怨，可馬仁敏心底卻是心甘情愿，同時也有一份對家人的理解和全力支持的感激。

走在科研的路上，馬仁敏的旅程才剛剛開始，他將回國后的主要研究方向定位于表面等離激元激光器的基礎物理研究及其在納米技術中的實際應用。而在這一過程中，一批中國本土表面等離激元激光器物理及應用人才必定崛起，一支具有國際領先水平的納米激光物理及應用研究組即將走向世界。endprint