微观世界的探索者——记清华大学物理系教授熊启华

祝传海

纵观古今，人类文明的发展史往往可以看作是一部材料的发展史，人类文明的不同历史阶段也是以材料和工具作为标志，譬如石器时代、青铜器时代、铁器时代等。对材料的认知和利用能力决定着文明的形态和人类社会生活的质量，所以人类从未中断过对更好的材料和与之相适应的先进工具的追求。20世纪半导体材料及器件的兴起，不仅促进了新材料的制造和科技的发展，更是极大地推动了社会文明的进程，并变革性地改变了人类的生活。新世纪的发端，人类共同见证了以智能手机为代表的移动互联时代的来临，可穿戴性器件、人工智能、新能源材料和技术以及量子科技突飞猛进的发展，处处可见半导体材料及技术的身影。在亚-10纳米的后摩尔时代，国家亟待解决“卡脖子”技术，纳米材料和纳米科技必将持续对社会生活产生重大的影响，而这轮技术革新所带来的冲击将远远超越20世纪的电子革命。

“在凝聚态物理中有一条基本准则，那就是原子堆垛的方式（或者说晶体结构）决定了材料的性质。当从宏观世界进入到微观世界时，常常会发生一些有趣的现象。比如有些材料在块材时不发光，如作为润滑剂为人所熟知的二硫化钼，但当我们解理出其单原子层时，它却能发出红光。有些熟知的半导体材料，将其制成纳米尺寸时，比如大家常听说的胶体量子点，它可以发出波长更短的光，其发光波长随着量子点尺寸变小而蓝移。这些都是量子效应在光学性质方面的宏观体现。”采访中，清华大学物理系教授熊启华生动而平实地解释道。

多年以来，熊启华一直致力于凝聚态材料光谱学以及低维纳米材料基于光子-声子-电子耦合作用的物理机制和量子调控方面的研究。为了探求物理科学的真谛，在他风华正茂的青春里，奋斗拼搏就成为一抹最亮丽的色彩。武汉大学、中国科学院上海应用物理研究所、美国宾夕法尼亚州立大学等国内外知名高校，曾留下他攀登科研高峰的足迹；新加坡南洋理工大学曾见证了他的成长。20余年来，他多年的所学历经实践的考验，打磨出珍珠般的光彩；如今他回归祖国，加入清华大学物理系，将依托这一优质平台，在凝聚态光谱学等领域继续前行，为中国的半导体光学等的发展注入新的活力。

科研需要有定力，不能跟风

“眼光，看准了什么东西，就要抓住不放；坚持，看对了就要坚持；力量，有了力量能够闯过关，遇到困难你要闯下去。”著名理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁曾将以上三点视作物理研究工作成功的要素。而熊启华能够在凝聚态光谱学和光子学等研究领域取得令人瞩目的成绩，也离不开这三个要素，离不开这20多年的不懈努力与坚守。“科学研究需要有品位和定力，不能仅仅跟风去做时下热门的东西，而应对自己兴趣所在的领域做深入研究和积累。”熊启华坦言道。

本科时期，熊启华就读的武汉大学物理系，是我国最有影响力的物理院系之一。老一辈著名物理学家查谦、桂质廷、张承修、李国鼎、周如松等都曾在此执教。在厚重的人文底蕴和优良的学术氛围熏陶下，熊启华对物理研究产生了浓厚的兴趣。1997年毕业时，熊启华凭借优异的成绩被保送到了中国科学院上海原子核研究所（现名“中国科学院上海应用物理研究所”），师从李民乾教授。李教授是核分析技术方面的专家，在国内较早开展了扫描隧道显微术用在DNA及生物大分子的成像及操纵方面的应用研究。熊启华的硕士研究课题是DNA单分子操纵和DNA芯片的成像测量。随着在单分子研究方面的深入研究，以及对当时纳米科技各个方向的激动人心的进展的关注，熊启华也明晰了自己未来的研究方向，下定了决心继续沿着纳米科技的前沿追寻。

2000年硕士毕业后，心怀梦想的熊启华远渡重洋，前往美国宾夕法尼亚州立大学，追随著名教授Peter C. Eklund攻读博士学位。Eklund教授是碳纳米材料及拉曼光谱学方面国际知名专家。“在博士期间，我主要的研究方向是用先进光谱学技术研究低维半导体纳米线的新奇物性，尤其是低维纳米体系的声子（也就是晶格振动的量子）及其与光场的耦合作用。”采访中熊启华回忆说。随着研究的逐步深入，熊启华越发觉得该领域发展日新月异，要跟上国际同行的步伐，唯有只争朝夕。为了能在这一领域做出更多突破性的科研创新成果，他忙碌的身影常常出现在深夜的实验室里。他回忆道：“我还记得一个实验用到邻居实验室的原子力显微镜，这台设备由一名台湾省来的同学负责。他对来自祖国大陆的学生非常有偏见，我就错开他白天工作的时间晚上熬通宵，没有了环境振动和噪声，效果挺好。”“除了量子限制效应，维度的限制也使得低维纳米体系表现出一些新奇的物理效应，比如大家所熟知的二维材料石墨烯，这种维度的改变会引发一些界面上的独特性质，改变我们所关注的电子、声子、光子以及它们的耦合态在表面的一些输运和传播特性，我们可以深入研究机理，同时利用新的机理做一些具备独特功能性的器件。”

据了解，人们常说的低维纳米材料通常是指三个维度中至少有一个被限制在1～100纳米之间的材料体系。当今低维纳米材料的可控制备及其在器件中的应用研究已是国际上重要的热点之一，其核心问题是如何理解和控制低维功能纳米材料的结构、物性以及发展功能性的器件应用。

学海无涯，吾将上下而求索。博士毕业后，熊启华又前往哈佛大学从事了3年的博士后研究工作，师从享誉全球的纳米科学领军人物——Charles Lieber教授。名师出高徒，在美国求学与工作的几年中，两位恩师的学者风范在潜移默化中深深地影响了熊启华，让他领悟到科研和教学的真谛。导师们也成为日后他从事教学科研工作的榜样。“当年导师们对我的教导和支持让我获益匪浅，如今我也努力将这种科学的精神发扬传承。”熊启华满怀感激地回忆道。

科学家是有祖国的，但科学是无国界的

正如彼得·梅达瓦所说的那样：“科学是可以解答的艺术。科学的前沿是介于可解与难解、已知与未知之间的全新疆域。致力于这个领域的科学家们竭尽全力将可解的边界朝难解方向推进，尽其所能揭示未知领域。”

顺利完成博士后的研究工作后，熊启华迫切地希望能在纳米科技这一前沿领域有所作为。“当时在国内、美国也面试了不少单位，其中2009年初，我入围了新加坡国立研究基金（National Research Foundation, NRF）NRF Fellowship的最终答辩名单，并成功获选成为当年度的最终十人入围者之一，每人获得200万美元的启动资金，可以在新加坡国立大学和南洋理工大学中间选一所建立研究组。这对一个刚刚起步的研究组来说非常具有吸引力。而且新加坡的人文环境、科研氛围、生活条件等都挺不错的，所以我最终选择了南洋理工大学并在那里工作了12年。”熊启华感慨道。

在南洋理工大学工作的那些年，作为一名年轻的独立PI，熊启华需要在做好本科教学的前提下，建设实验室、申请研究经费并招募和培养研究生。时间总是不够用，他常常夜以继日地投入工作。“我们许多光谱学实验需要用液氦，一旦做起来就没有白天黑夜，常常需要和学生一起24小时运行。基本上晚饭后我还是要回到实验室，和学生一同做实验或者讨论，半夜回家都是经常的事。”

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。多年来一直默默耕耘的熊启华迎来了收获的喜悦，在新加坡工作12年间，他以项目负责人的身份共获得超过3000万新币的研究经费。他在微纳光子学、激光制冷，以及二维半导体材料光学性质等一系列前沿课题中做出了一系列有影响力的工作，陆续在《自然》及子刊等一系列国际知名杂志上发表250多篇文章，其中包括4篇《自然》和16篇子刊论文，并被世界知名杂志及大众媒体所报道。他在谷歌学术半导体光学领域排名世界第一，获评科睿唯安全球交叉科学领域高被引科学家。而其出色的研究也赢得了学术界的认可，分别于2015年获新加坡物理学会纳米科技奖，2014年获新加坡国立研究基金NRF Investigatorship奖和南洋理工大学南洋研究卓越奖等。2018年他被遴选为美国物理学会会士，2019年获选亚太材料科学院院士。最近，他被遴选为2021年度美国光学会会士。

此外，熊启华还在国际上有影响力的大会及期刊担任了重要职务，譬如，2018年国际首届激子和极化激元大会的发起人和大会主席，2017年第三届二维材料国际会议大会共同主席。多次担任美国、新加坡、韩国、波兰、爱尔兰等国家基金评审人、中国国家自然科学奖、陈嘉庚科学基金会和求是基金会评委。应邀担任纳米科技领域顶尖杂志《纳米快报》的副主编及多家国际知名杂志的国际编委。曾担任美国光学学会旗舰杂志Optics Express副主编（2018—2020年）。

在教书育人方面，熊启华也有自己独到的见解，他将自己在学业上的心得毫无保留地传授给学生。他尤其注重培养学生们的独立性和批判性思维，希望他们成长为独立思考的研究者，“不能把研究生当作技术工人来用，一定要训练他们的批判性思维，呵护和培养他们的好奇心，鼓励他们在研究中善于发现并提出科学问题”。同时他也常鼓励学生们一定要走出去、多交流。“从科学的本质来说的话，科学家是有国界的，但科学是无国界的。你需要知道别人在做什么，你要从别人身上学习。”截至目前，熊启华已培养了18位博士、50多位博士后，9名博士获得国家优秀自费留学生奖学金。其中大部分学生学业结束后已在高等学校或者研究所任职，比如在北京大学、南京大学、武汉大学、华中科技大学、华南理工大学、中南大学、电子科技大学、西北大学、西南大学、华侨大学、深圳大学等高校和中国科学院研究所从事相关研究工作，成为我国相关研究领域的生力军。在美国、英国及印度知名高校也有他的学生获得教职。

凭借出色的科研和教学成果，熊启华在10余年历练中也已完成了蜕变，2014年获聘终身教职副教授，仅仅两年后，晋升为正教授，并担任了5年南洋理工大学数理科学学院的副院长，主管科研和研究生教育及教职事务。但在他心中始终放不下的是对祖国的眷恋和家人的牵挂。“回国继续研究事业是我一直的梦想，而且父母的年纪也大了，只要是有机会我还是想回国发展。”

研究团队合影

科学家最重要的品质就是保持对科研的好奇心

在一次偶然的机会中，熊启华得知清华大学急需凝聚态光谱学方面的科研人才，便积极申请。“我觉得无论是从培养学生的角度，还是从今后科研事业发展的角度，国内都具有更多的机会和更广阔的平台。我希望能够利用超快光谱学的手段，继续探测新型的凝聚态体系和半导体系材料的性质，并发展功能性器件技术。”就这样，熊启华顺利加入了清华大学物理系，开启了科研路上新的征程。

科学家最重要的品质就是保持对科研的好奇心和激情，这是熊启华多年来一直秉持的科研理念。如今，传统半导体材料的电子和光电子器件的发展已日渐趋于各种物理极限，未来迫切需要新材料、新原理来开发具有更高性能、更低功耗，更快响应的新一代半导体器件，比如具有钙钛矿晶体结构的金属卤化物半导体材料。2009年，钙钛矿首次作为可见光增敏剂应用于太阳能电池，为进入瓶颈期的现有太阳能电池技术注入了新鲜血液，并在短短几年内彻底改变了第3代太阳能电池的格局，使光电转化效率从3.1%迅速攀升至目前的25%左右。从效率本身而言，已超过商业化的单晶硅太阳能电池的性能。同时基于钙钛矿半导体材料的发光二极管（LED）等光子学和光电子学器件的制备和开发也取得重大突破，LED的效率突破了20%以上。可以说钙钛矿半导体材料已成长为目前世界科技前沿尤其是半导体光子学和光电子学器件的热点和新兴领域。

然而该领域也面临着一系列的挑战，例如其离子型的晶体构成使得各类器件都存在光-热-湿度等稳定性难题；人们对其卓越器件性能的微观物理机制的理解尚有很大的不足，这就成为进一步发展变革性和颠覆性技术的瓶颈。

为破解这些难题，熊启华及其项目组已于2021年1月开展了“金属卤化物钙钛矿半导体中激子及激子极化激元的超快动力学和量子调控”的研究，该项目已获得国家自然科学基金重点国际合作项目的资助。据了解，该项目中他们将研究两类新型钙钛矿半导体材料中光与物质强耦合相互作用产生的激子和激子极化激元的超快动力学等问题，拟采用多维度的稳态和瞬态光谱学方法，并结合理论计算，深入探索和理解二维和全无机钙钛矿中激子的新奇光学特性和超快动力学过程，重点研究激子极化激元的波色-爱因斯坦（BEC）凝聚体和激射等宏观量子光学行为，为进一步研究基于室温激子极化激元BEC凝聚体的人工晶格和量子光学器件奠定坚实基础，以实现对该领域前沿的继续把握和引领。

筚路蓝缕，虽然刚开始的研究经费有限，同时也需要面对如何新建实验室和学生训练缺乏等诸多困难，但熊启华早已做好了思想准备，他有信心去迎接这些挑战。据了解，目前其光谱学实验室和一系列大型设备如飞秒激光器、光谱仪、光学低温冷台及样品制备等设备已陆续到位，熊启华将和团队成员们一同拼搏，在这一前沿领域再创辉煌。