见微识著 照亮未来——记北京理工大学教授、长江学者邹炳锁

本刊记者 褚 焱 艾文彪

见微识著 照亮未来
——记北京理工大学教授、长江学者邹炳锁

本刊记者 褚 焱 艾文彪

纳米——超微世界的单位，使人们正越来越向微观世界深入，认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。

光子——电磁辐射的载体，具有远快于电子的风驰电掣般的传播速度，满足信息时代信息爆炸性增长的需要，是探索未知世界的工具。

当纳米技术和光子学技术结合在一起时，将发挥更大威力改变人类的生活。目前它在飞速地发展。这门新兴的交叉学科在信息、能源、生命、环保、宇航、国防等领域均已产生新的重要应用。正因为如此，目前国际上主要发达国家均制定了“纳米光子学”的发展路线图。在我国，纳米光子学的发展也日益受到重视，未来发展前程似锦。

北京理工大学材料学院邹炳锁教授及其科研团队长期从事纳米光子学材料和技术的研究，力图通过新的微纳光子结构的设计和物性研究，实现微纳结构内部光子、激子、电子和其它元激发的调控，使之发挥光子波动性的相干和耦合效应，发现和拓展新的量子效应，实现更新一代更高效率、更快响应、更宽范围响应的新型光子器件，甚至实现超材料（metamaterials）。

“纳米光子虽小，照亮我们未来的路”

在光子学领域，意义最大的莫过于产生激光，也就是相干光子，它已经彻底改变了我们的生活。但是如何制作更小的并可大范围调谐的相干光子一直是一个难题。制约这一进步的主要因素就是材料问题。邹炳锁教授领衔的纳米光子学小组另辟蹊径，采用纳米结构一维生长技术，避免了材料中的成分结构应力配合问题，做出了成分可大范围调节的纳米线，其方法比哈佛大学得到超晶格微纳结构所采用的外延法要简单得多，调谐范围也要宽得多。此后，通过进一步国际合作，实现了从绿光、黄光、橙光到红光的单芯片上可调谐的激光发射，从而解决了这一国际难题，受到国际国内科技网站的广泛报道。

据邹炳锁教授介绍，该项成果的材料用途广泛，可应用于新光源、光通讯、分子和生物传感、太阳能电池等领域。例如，在新光源领域，改用这种材料的发光器件，同等条件下更明亮、更节能；在光通讯领域，应用该成果可很好地改善光子元件的性能，大大提高光通讯的效能；在分子和生物传感与检测领域，应用该成果将能制备出与原来完全不同的可以自主发光的传感器件，大幅提高分子和生物传感与检测的效率或灵敏度；应用于太阳能电池，可以使不同波长的光得到最大的转换，将极大提高电池整体光电转换效率。

不断拓展研究领域，攻克科学难题是邹炳锁认为科研人最可贵的品质。低维半导体结构中的激子的波色——爱因斯坦凝聚（BEC）研究是长期的研究难点之一，邹炳锁一直致力于这个领域的研究，期待利用空间的维度和限域效应可像磁场和光场限域原子或分子一样限域激子，从而更容易使激子凝聚。他领导的团队在一维半导体超晶格微米线的制备与光学性质的研究方面取得了突破。经过反复试验，利用折射率和带隙不同的材料周期性组合，制成了一维光学关联多微腔，使光子和激子同时受到限制并耦合，形成了“激子和光子的复合晶格”，可同时发射不同波长的相干光子，光子长程关联度显著提高，为进一步的研究和应用奠定基础。

但是，邹炳锁又表示，过去的结果显示，无论何种玻色子的凝聚，都需要极低温下将数量有限的量子集中在微米尺度空间内才可能实现。邹炳锁小组利用微量磁性离子微量掺杂强化了氧化锌纳米线中激子和声子的相干耦合，形成一维双声子极化激子，这类激子可在飞秒激光的高密度激发此类特定掺杂浓度的氧化锌纳米线微腔中产生类BEC现象。这一结果也证明了一维纳米线的磁性离子可稳定激子，调控纳米结构中元激发间的相互作用，导致出现一些过去难以出现的微观和宏观物理现象。

除了这些量子线，邹炳锁的实验室还制备了很多种尺寸可控的量子点，发光效率高、稳定性佳，界面可控，可用于生物标记，相关成果得到了美国科学院与工程院双料院士、生物医学工程奠基人R.Langer教授在其综述中的高度评价，认为可能作为研究干细胞的标准方法。事实上，邹炳锁团队也已开始了利用量子点标记癌细胞的尝试，未来可能有更多在生物医学工程领域的新发现。

以上的描述当然不能尽数邹炳锁教授200多篇SCI论文、数十场国内外学术报告的全部内涵。但它们反映了一个事实：纳米结构包含了丰富的内涵，就像我国科技发展纲要所言，“纳米技术将带来新的技术革命，解决人类当前面临的包括能源、信息、生命、环境、安全等难题”，而纳米光子学的迅速发展必将见前人所难见，解前人所难解之题，隐人欲隐，见微识著，照亮我们未来的道路。

“我们赶上了一个好时代”

辉煌的背后往往是默默的付出与不懈的努力。然而邹炳锁只跟我们谈他的“幸运”，对艰辛只字不提。但我们从他平淡的话语中依然可以读出他一路走来的坚定与执着。

1981年，17岁的邹炳锁考入了吉林大学化学系，学习无机合成化学。但他志在物理，因为那是他从中学以来的梦想。于是，在选择研究生专业时，他毫不犹豫地选择了物理化学学科，进入“凝聚态物质中的光物理与光化学”课题组。在这里，邹炳锁得遇良师，对国际动态敏锐无比的肖良质教授将他引入纳米材料的研究领域，而物理思想深厚、科学目光深邃如炬的李铁津教授则教给了他各种光谱学的手段，指导他如何把物理与化学完美地结合。从此，一个暂新的世界——纳米光子学这个交叉领域逐步在他面前展开。

心中有梦想，便能目无旁物，专注于一。在图书馆里，他如饥似渴地汲取知识的养分；在实验室里，他乐此不疲地探索未知的世界。徜徉在知识的海洋里，他感到自己是那么渺小，他只有奋楫扬帆，以期早日到达彼岸。1991年，他的博士论文《量子限域超微粒的制备、表征和光学性质研究》通过了答辩，这可说是国内最早的“量子限域——quantum confinement”的中文提法。其中对纳米微粒光学非线性的成果，可以说是开国内化学博士生与物理合作研究的先河。从此，纳米研究中物理和化学无法分家。

1994年，于南开大学光学所博士后出站后，邹炳锁来到中科院物理所工作。在这里，他再一次遇到“贵人”。中科院物理所是国内物理研究领域的先锋，有解思深院士、杨国祯院士等学界泰斗，在他们的支持和指导下，邹炳锁如大鹏展翅，任意翱翔。1996年开始，在新加坡国立大学和美国佐治亚理工学院三年的海外访问学者生涯拓宽了他的视野，也进一步锻造了他的学术能力。2000年入选中科院百人计划，使他得以从容开展纳米光子材料的研究。2005年，邹炳锁担任湖南大学985二期平台纳米光子学方向首席科学家，2006年获批教育部长江学者。2009年，邹炳锁因工作需要调入北京理工大学，曾任北京理工大学材料学院院长，现为该校微纳技术中心负责人。

在微纳技术领域不断耕耘，邹炳锁取得一系列令人瞩目的成果。而他却总是把成绩谦逊地归因于自己“赶上了一个好时代”。

“面向未来的老师才是好老师”

对国家“科教兴国”、“人才立国”的国策，他一直暗自庆幸；对一路上引导自己、帮助自己的师友，他一直心存感激，并且怀着这份感激去培养学生。他说：“与国家的需求相结合开展研究，不断创新，这是我们这一代科学技术工作者的基本任务，二者的结合除成果外要以培养优秀的人才为指标。”“指导学生，必须让学生了解未来需要的东西”。中国是个世界大国，应该有自己在世界上独到的创新成果。

因此，邹炳锁一直以带领学生走向世界前沿为目标，以让学生学到知识、能独立解决问题做为自己当老师的基本职责。每次开组会，他都要求学生讲述第一流杂志上文章的成果，发动大家讨论，关键之处加以详解，以此促使学生了解国际动态，把握前沿问题，强化交叉能力，实践创新，在有限的条件下解决重要的科学问题。努力的付出取得了卓越效果，很多学生已成长为国内外研究机构的骨干，在微纳光子领域创造着一个又一个奇迹。

要研制出新的纳米光子学原理与器件，首先需要新结构的微纳材料，新光源、光学隐身、高分辨探测与成像等都是亟待解决的问题。如今，邹炳锁教授正在负责建设北京理工大学的微纳技术中心。这个中心汇聚了一批优秀的青年人才，以纳米新材料设计、纳米光子学技术、微纳系统、光电器件为主要发展方向，以微加工和微光电检测为手段解决交叉学科问题。相信通过数年的努力，这个中心将能够为国家在纳米光子学领域贡献更多的成果和人才。