以赤诚之心徜徉物理世界

严永红

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。

与这项“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与者之一，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，马仁敏与物理科学一拍即合，“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……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与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。”endprint

为了实现激光的定向发射，马仁敏首次提出并实现了波导嵌入型表面等离激元激光器。他巧妙地在光学纳米波导中嵌入等离激元激光器，激光器的出射光有效的耦合进入光学波导，从而很好地控制了纳米级激光器出射光的方向性，将纳米激光器向实用化推进了一大步。同时，马仁敏还首次实现了等离激元激光器驱动的纳米光学回路，他解释说：“这相当于挖了一条水渠，可以引导出射光到你指定的地方去。”从而为纳米光学器件小型化，并最终实现芯片内光电集成铺平道路。这项技术被美国国家科技委员会纳米尺度科学、工程与技术分会的创始主席M.C.Roco博士誉为“最令人激动的五种纳米技术之一”。

除了做基础研究，马仁敏还将纳米尺度等离激元激光器应用于微量物质的探测，成功实现了低于1ppb的爆炸物DNT的探测，比传统无增益等离激元探测器灵敏度高了两个量级。马仁敏举例说：“现在恐怖袭击的形式花样迭出，有些人试图做更小的塑胶炸弹带上飞机，而塑胶炸弹是很难用X线检测到的，等离激元激光器为检测这些爆炸物提供了可能。如果把这个对爆炸物分子非常灵敏的小东西放在机场等人比较多的地方，能对我们的安全起到一个重要的保障作用。”另外，马仁敏透露自己的一项专利被韩国三星公司看重，今后将投入到实际应用中去。对此，马仁敏直呼“很有意思”，此前他一直认为自己的研究偏向于基础理论，如今能获得产业界的关注、惠及民众，马仁敏感觉自己的科研事业变得更有意义了。

一份“不太正常”的工作

2014年3月，做完博士后研究的马仁敏收到了国外一些大学教职的入职通知书，但是他早已做了决定——回国。国外的自由、协作的科研环境马仁敏当然喜欢，他在美国的最深感受就是科研合作的无边力量，然而作为一个中国人，最终还是要回到祖国母亲的怀抱，他也迫不及待地想要支持和见证祖国美好的未来。

就这样，马仁敏入选“青年千人计划”回国，来到母校北京大学任教。他说，要感谢“青年千人计划”这个平台，给了他们这些科学工作者“启动梦想”的机会。曾几何时，读研究生时的艰苦条件让马仁敏在经济上倍感压力，但出于对科研的热爱，他坚持了下来，如今生活条件比以前好了很多，对物质并没有太多要求的他，对能够在北大这个他曾经读书的地方工作做科研，马仁敏感到很满足。

作为年轻的博士生导师，马仁敏与学生相处起来轻松随意，他还兴奋地告诉记者，学生们教会了他游泳。但马仁敏对待科研格外严谨。他说，细致是一门学问，认真才能赢得成功。面对来自不同专业的学生，马仁敏想的是如何让他们各尽其能、相互配合，“每个人的精力都是有限的，一个人不可能事事都干好。可是做科研就要把每个环节都做到极致，只有每个人把自己负责的部分做好，团队的力量才能发挥到最大。而且在相互沟通协作的过程中，大家的能力也得到了提高。”

马仁敏常对学生说：“不要把自己局限在一个地方，也不要认为自己很多事做不了，一定要敢于尝试。”这份理念帮助他直面每一个困难，那些在凌晨得出的科研结果，都是“永不言弃”这四个字的真实写照。在回国一年多后，他和学生成功实现了激射增强型等离激元探测器。该探测器比商业化的等离激元探测器的强度灵敏度高400倍左右。新的激射增强型等离激元探测器可以在溶液环境中稳定工作，同时具有微型化，可阵列化的优势，在疾病的早期诊断、食品安全、环境卫生等领域有着很好的应用前景。

做科研需要全身心投入，在马仁敏这里，“做科研没有上下班，更没有放假，科研人一天24小时都在想科研上的事情，即使待在家里，脑子里也还是被工作占据。所以说这不是一份正常的工作。”尽管嘴上抱怨，可马仁敏心底却是心甘情愿，同时也有一份对家人的理解和全力支持的感激。

走在科研的路上，马仁敏的旅程才刚刚开始，他将回国后的主要研究方向定位于表面等离激元激光器的基础物理研究及其在纳米技术中的实际应用。而在这一过程中，一批中国本土表面等离激元激光器物理及应用人才必定崛起，一支具有国际领先水平的纳米激光物理及应用研究组即将走向世界。endprint