從2004年進入北京大學(xué)攻讀博士到如今成為凝聚態(tài)光學(xué)領(lǐng)域的知名學(xué)者，北京大學(xué)物理學(xué)院教授、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者馬仁敏，憑借對科研的執(zhí)著熱愛和堅忍不拔的毅力，帶領(lǐng)課題組在納米激光研究中取得了一系列重要突破。
馬仁敏近照
他和團隊確證了等離激元納米激光的性能優(yōu)勢，提出并實現(xiàn)了魔角納米激光，打破了納米激光只能實現(xiàn)單個或固定陣列相干激射的局限，成功實現(xiàn)了可重構(gòu)的莫爾納米激光陣列。2024年7月，馬仁敏課題組在Nature上發(fā)表了前沿創(chuàng)新成果《具有原子尺度局域化光場的奇點介電納米激光》。該研究提出了奇點色散方程，構(gòu)建了在電介質(zhì)體系中突破光學(xué)衍射極限的理論框架，并實現(xiàn)了迄今為止模式體積最小的激光器。
這些研究成果得到了學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可——
“金屬能否提高激光性能是納米光學(xué)領(lǐng)域一個長期懸而未決的問題……馬仁敏和合作者通過縝密的實驗解決了這一問題……實驗結(jié)果非常重要，為激光的進一步微型化鋪平了道路?！?/p>
——Nature Materials專題報道確證等離激元納米激光性能優(yōu)勢的工作
“設(shè)計概念極具創(chuàng)新性，同時展現(xiàn)了卓越的器件性能?！?/p>
——Nature Nanotechnology專題報道魔角納米激光工作
“將多個激光器組合成一個明亮的光源看似簡單，實則極為復(fù)雜……他們對莫爾平帶的獨創(chuàng)性應(yīng)用克服了這一挑戰(zhàn)?！?/p>
——Nature專題報道可重構(gòu)莫爾納米激光陣列的工作
此外，馬仁敏團隊相關(guān)成果入選2018美國物理學(xué)會Physics年度重點成果、2018和2020中國光學(xué)十大進展、2020中國半導(dǎo)體十大研究進展、2020中國百篇最具國際影響學(xué)術(shù)論文、2024中關(guān)村論壇年會重大成果。馬仁敏于2021年獲得第三屆“科學(xué)探索獎”，2022年獲得中國光學(xué)學(xué)會王大珩光學(xué)獎等。
馬仁敏及團隊所獲得的部分獎項
科學(xué)探索之路充滿坎坷，已在該領(lǐng)域取得突出成就的馬仁敏回顧科研求索的歷程，常常會從那個獨守在裝滿零下200多度液氦的鋼罐旁守候“光明”的夜晚講起。
絕處逢生，無數(shù)次失敗后的“守得云開見月明”
在北大讀博士期間，馬仁敏參與實現(xiàn)了國際上首個等離激元納米激光，彼時，等離激元納米激光器件需要冷卻到零下200多度的液氦溫度才能工作。如何攻克室溫激射的世界難題成為馬仁敏到加州大學(xué)伯克利分校繼續(xù)做博士后研究的重要課題。
“有好幾個月的時間，我嘗試制備了幾百個不同的器件，每天都在實驗室工作到凌晨，但這些器件依然只能在低溫下實現(xiàn)激射。”
是換個賽道重新出發(fā)，還是把這個關(guān)口闖過去？馬仁敏選擇了后者。在又一個熬到凌晨兩三點鐘的夜晚，實驗終于出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機——
依然是在裝著零下200多度液氦的鋼罐旁，已經(jīng)非常疲憊的馬仁敏挪動了一下實驗臺，偶然發(fā)現(xiàn)一個器件發(fā)出的光束異常明亮，這表明該器件性能優(yōu)異。這束明亮的光為將器件的工作溫度升至室溫帶來了希望。他如獲珍寶，連續(xù)實驗數(shù)周，分析數(shù)據(jù)、探尋機理。經(jīng)過不懈努力，馬仁敏和合作者成功將低損耗、亞衍射極限的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體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(dǎo)體薄片結(jié)合，制備出了具有高品質(zhì)因子的表面等離激元微腔，成功實現(xiàn)了室溫等離激元納米激光。這項成果發(fā)表在Nature Materials以后，被MIT Technology Review專題報道，稱其打破了“等離激元納米激光只能在低溫下工作”的質(zhì)疑，為等離激元納米激光的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
若干年后，馬仁敏還是常常回憶起那些個守在冒著白煙的液氦罐子旁的日日夜夜?！皼]有人喜歡失敗，但是要有心從失敗中吸取經(jīng)驗，讓下一次實驗有可能離成功更近一些?！瘪R仁敏認(rèn)為，每一次看似“幸運”的科研突破背后，總有著無數(shù)看不到的艱辛付出，突破瓶頸的重要因素就是堅持長期主義，要能夠有足夠的意志力從失敗和挫折中穿越出來，絕處逢生。
跨越極限，實現(xiàn)激光器的“最小”突破
晶體管和激光是信息技術(shù)中的兩大關(guān)鍵元器件。晶體管的微型化推動了電子芯片的飛速發(fā)展，目前，最先進的晶體管特征尺寸已經(jīng)達到納米級別。與利用電子的晶體管相比，縮小利用光子的激光器難度要大很多，對可見和近紅外波段的光子來說，由于衍射極限的存在，其體積要比晶體管中的電子大9個量級左右?！皦嚎s”光子，將激光器的尺寸縮小到晶體管的水平成為了馬仁敏追尋的科研目標(biāo)。
馬仁敏指導(dǎo)學(xué)生做實驗
馬仁敏介紹道，自1960年激光發(fā)明以來，科學(xué)家們一直致力于通過時間、空間等維度壓縮光場，以實現(xiàn)更高性能的激光。在時間維度上，極端壓縮光場產(chǎn)生了阿秒激光，使得觀測微觀粒子的超快運動成為可能，相關(guān)研究獲得了2023年諾貝爾物理學(xué)獎。在空間維度上，極端壓縮光場實現(xiàn)的納米激光有望為新一代信息技術(shù)和研究強光場局域下的光與物質(zhì)相互作用帶來新的機遇。
近年來，他與合作者在納米激光領(lǐng)域取得了一系列突破性成果，其中5篇論文發(fā)表在Nature和Science上。2024年7月17日的Nature雜志上，馬仁敏課題組提出了奇點色散方程，構(gòu)建了介電質(zhì)體系突破光學(xué)衍射極限的理論框架，實現(xiàn)了迄今模式體積最小的激光，所發(fā)明的奇點介電納米激光將激光特征尺度推進至原子級。這意味著，馬仁敏所孜孜不倦探索的科研目標(biāo)，在極其微小的空間內(nèi)制造激光并探索其中新奇的物理現(xiàn)象和潛在應(yīng)用又有了新的突破。
學(xué)術(shù)界長期認(rèn)為在無等離激元效應(yīng)的介質(zhì)體系中實現(xiàn)亞衍射極限光場限制是不可能的，因為這看似會違背量子力學(xué)中的不確定性原理。馬仁敏課題組的此項成果不僅開辟了亞衍射極限光學(xué)的新途徑，還避免了等離激元效應(yīng)中金屬材料固有的損耗問題。這被認(rèn)為有望為物質(zhì)科學(xué)和生命科學(xué)的研究提供全新的工具。同時，相較于現(xiàn)有激光，奇點介電納米激光不僅能耗更低，還能實現(xiàn)更快的調(diào)制速度和更強的光與物質(zhì)相互作用，在信息技術(shù)、傳感探測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用潛力。
幸遇良師，以傳承報答師恩
馬仁敏很慶幸自己在科學(xué)探索的過程中得遇良師。2004年進入北大物理學(xué)院的馬仁敏遇到了引領(lǐng)他進入學(xué)術(shù)生涯的兩位恩師：秦國剛院士和戴倫教授。從入院到2009年博士畢業(yè)，馬仁敏在兩位恩師的關(guān)懷下迅速成長?！拔颐恐苡行夜潭ㄍ乩蠋熀痛骼蠋熞黄鹩懻搯栴}，他們身上潛心治學(xué)、攻堅克難的精神品格深深影響了我?！瘪R仁敏說道。
2013年馬仁敏與秦國剛（右）、戴倫（左）的合影
老師們的悉心指導(dǎo)和北大寬松自由的學(xué)術(shù)氛圍為馬仁敏在物理世界的探索提供了廣闊的空間。在研究生期間，他先后獲得了北京大學(xué)“學(xué)術(shù)十杰”、葉企孫實驗物理獎、北京大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生、全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文等多項榮譽。他說：“這些獎項是對我在老師們精心指導(dǎo)下所取得的科研成果的肯定，更重要的是，老師們的言傳身教讓我在科研過程中深刻體會到何謂真正的科學(xué)鉆研精神?！?/p>
讀博期間，馬仁敏開始嘗試研究增益介質(zhì)材料，遠在美國加州大學(xué)伯克利分校的張翔教授是超構(gòu)材料和納米光子學(xué)領(lǐng)域的國際開拓者之一，馬仁敏的研究引起了他的注意，從北大畢業(yè)后，馬仁敏跟隨張翔教授在伯克利做博士后研究。
2014年，馬仁敏與張翔（左）的合影
“張老師強調(diào)平等與質(zhì)疑的精神，鼓勵學(xué)生在學(xué)術(shù)上與老師平等對話，提出問題，質(zhì)疑權(quán)威，培養(yǎng)他們的獨立思考和創(chuàng)新能力。同時，張老師致力于創(chuàng)造自由開放的學(xué)術(shù)氛圍，讓學(xué)生大膽探索天馬行空的想法，在學(xué)生面對困難時會鼓勵大家堅持下去、不屈不撓。我很懷念當(dāng)時和大家一起討論甚至爭論學(xué)術(shù)問題的時光?！睋?jù)馬仁敏回憶，當(dāng)時張翔教授的課題組約有50人，博士后和博士生各占一半，每天都會有小組討論會?！坝懻摰郊哟蠹医?jīng)常站起來‘手舞足蹈’，用馬克筆在白板上繪圖爭論?！辈┦亢笃陂g，馬仁敏完全沉浸在艱辛卻充滿樂趣的科學(xué)研究中，時間飛快地流逝了5年。
憑借著優(yōu)秀的科研成果，馬仁敏收到了數(shù)所國外大學(xué)的教職邀請，但他還是在接到母校拋來的橄欖枝時毅然選擇回到北大，在最熟悉的地方繼續(xù)熱愛的科研工作。為了協(xié)助他回國后盡快安頓生活、開展工作，他的家人也辭去美國的工作同他一起回到了北京，馬仁敏對家人一直以來對他追求學(xué)術(shù)理想的理解和支持非常感激。
科研攻關(guān)的過程充滿艱辛，而正是付出的汗水讓收獲的時刻尤為難忘?！敖衲?月9日是農(nóng)歷除夕，家家戶戶都在團圓迎新，我也正在老家與家人團聚。之前我對學(xué)生們說，我們要爭取在新年前將奇點介電納米激光的研究成果投遞出去。為此，我特意在老家購置了一臺大顯示器，便于春節(jié)假期期間與學(xué)生們共同完成稿件的最后修改。我們最終也正是在除夕這天將稿件投給了Nature。”這種孜孜不倦、只爭朝夕的努力換來了稿件的順利接收，也讓師生們的付出有了回報。教學(xué)相長、共同進步的過程讓馬仁敏更加堅定了成為北大教師這一職業(yè)選擇的正確性。
馬仁敏與團隊進行討論
作為北大教師，馬仁敏認(rèn)為，回報恩師最好的方式就是傳承科學(xué)精神。他說：“在攻讀博士和從事博后研究的階段，我有幸遇到了幾位恩師，他們不僅教會了我如何進行科研，更以身作則，讓我深刻領(lǐng)悟了潛心治學(xué)和勇于探索的科學(xué)精神。我希望在培養(yǎng)學(xué)生的過程中，將這種精神傳承下去，鼓勵他們獨立思考、銳意進取，培養(yǎng)他們對科學(xué)的熱愛和責(zé)任感。”
目前，馬仁敏的課題組有約20人，學(xué)生們各具特色，他探索著啟智潤心、因材施教中引導(dǎo)學(xué)生成長的教學(xué)之法。在馬仁敏看來，隨著國家綜合國力的顯著提升以及對科學(xué)研究的高度重視，北大這樣的頂尖高校所提供的研究平臺已達到國際先進水平，自主培養(yǎng)高水平青年科學(xué)人才的條件也日趨成熟。
“我們的學(xué)生在學(xué)習(xí)上都具備出色的能力，因此我更注重培養(yǎng)他們的科研方法和科學(xué)素養(yǎng)。我希望他們不僅具備提出問題和解決問題的能力，還擁有百折不撓、持之以恒的科學(xué)精神，以及對卓越的科學(xué)品質(zhì)的追求?！瘪R仁敏說道。歸國10年，他以研究者和教師的雙重身份，帶領(lǐng)年輕的北大科研人勇闖科學(xué)的“無人之境”，在探索物理極限的旅途中盡享突破的美感與喜悅。
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