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帶間級聯(lián)激光器的發(fā)明——楊瑞青談自身的經(jīng)歷與物理

Johnny Lee 來源:《物理》2016年第1期2016-01-23 我要評論(0 )   

我真正開展較為獨(dú)立的研究是從博士論文開始的,我當(dāng)時擬寫的題目是半導(dǎo)體超晶格電子系統(tǒng)的集體激發(fā)與輸運(yùn)理論。因?yàn)椴探ㄈA先生在澳洲訪問,那時交流不方便也費(fèi)時,我就...

      2015 年的夏初,在清華園中與朱邦芬教授交談,朱教授建議我結(jié)合自己的經(jīng)歷為《物理》雜志寫篇文章。其實(shí),《物理》一直是我這三十多年來喜歡瀏覽的刊物。于是,便欣然應(yīng)允了朱教授的提議。

1 早期的回顧

說起與物理的淵源,要追遡到1978 年,那時我15 歲,剛?cè)胝憬髮W(xué)物理系本科就讀。那時雖然對物理有興趣,但并不清楚將來要做什么。年紀(jì)小閱歷淺,沒有把握好赴美讀研究生的機(jī)會。大學(xué)畢業(yè)后,考入南京大學(xué)物理系凝聚態(tài)理論專業(yè)讀研,導(dǎo)師是當(dāng)時著名的蔡建華教授??刹痪茫探淌诒汶x開南京大學(xué),去了上海交通大學(xué),我們一部分留守南大的蔡教授學(xué)生,享受著無拘無束的學(xué)習(xí)和研究生活。蔡教授給了我研究金屬超晶格輸運(yùn)的大方向,讓我處于自由想象,任意發(fā)揮的環(huán)境中。當(dāng)然,在那個年代,周圍盡是兢兢業(yè)業(yè)的老師,勤奮優(yōu)秀的同學(xué),學(xué)習(xí)討論的環(huán)境讓人憧憬向上。比如李正中教授的課給了我固體理論方面嚴(yán)格的訓(xùn)練。我也常找?guī)熜竹R紅孺聊,請教問題。還有就是與當(dāng)時上海冶金所的陸曉佳和雷嘯霖先生建立了合作。

我真正開展較為獨(dú)立的研究是從博士論文開始的,我當(dāng)時擬寫的題目是半導(dǎo)體超晶格電子系統(tǒng)的集體激發(fā)與輸運(yùn)理論。因?yàn)椴探ㄈA先生在澳洲訪問,那時交流不方便也費(fèi)時,我就自己先做了再寫信說服蔡先生。后來蔡先生審查我的論文提案后, 同意了我的課題。我在1987 年底通過了博士論文答辨畢業(yè)。

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圖1 文章作者楊瑞青教授

回顧中國剛改革開放不久的那個年代,缺乏有經(jīng)驗(yàn)和深度的研究人員,我當(dāng)時雖然有些原創(chuàng)的想法,但并不清楚如何進(jìn)行更深入和有意義的研究。我的博士論文應(yīng)該還有很多空間去提高,現(xiàn)在想來有些遺憾。畢業(yè)后我去了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工作,感受到那里獨(dú)特的開放和自由氣氛,也想出國體驗(yàn)外面的世界。不久,就去了加拿大多倫多大學(xué)物理系短期工作,從事與自己博士論文有關(guān)的理論研究。

2 加拿大的歲月

剛?cè)ゼ幽么蟮娜兆樱⒄Z交流能力低,我在多倫多大學(xué)物理系的研究不順利,也覺得沒什么意義,就想有所改變。當(dāng)時找到多大電子工程系與物理有關(guān)聯(lián)的J.M. Xu 教授,他在1990 年初給了我在電子工程系做博士后的工作,申請的一筆加拿大博士后基金也隨后到位,這樣我的研究開始轉(zhuǎn)入物理與應(yīng)用相結(jié)合的方向。Xu 教授思想很活躍,開始時給了我好些研究方向和課題。在做了一番調(diào)查研究后,發(fā)現(xiàn)一些課目我無法繼續(xù),一些課題已經(jīng)被他人做了,但有兩個方向是很新的,我可以進(jìn)行有意義的探索。一是類比于光波導(dǎo)的電子波導(dǎo)耦合,從事這方面的研究,讓我學(xué)習(xí)了光波導(dǎo)的理論和涉及的物理概念,并應(yīng)用在電子波導(dǎo)理論的發(fā)展上,理解了它們的相似性和差別,為以后我從事諸如半導(dǎo)體激光的研究增加了有益的知識和經(jīng)驗(yàn)。另一個是半導(dǎo)體量子阱(quantum well,QW)結(jié)構(gòu)的帶間共振隧穿,這方面的研究使我熟悉了第二類異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體InAs/GaSb/AlSb 材料體系,發(fā)展了相應(yīng)的理論來理解這類量子阱結(jié)構(gòu)和有關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并在結(jié)合其他方面的研究經(jīng)驗(yàn)后,促使了帶間級聯(lián)激光器(interband cascade laser)的發(fā)明。

在中國學(xué)習(xí)和研究的經(jīng)歷給了我較強(qiáng)的物理基礎(chǔ)訓(xùn)練和獨(dú)立工作能力歷煉,但多倫多大學(xué)電子工程系博士后的經(jīng)歷卻使我真正開始明白和學(xué)會如何做研究,以及為什么做。在多倫多的早期歲月中,有機(jī)會與Xu 教授展開了相當(dāng)多的討論,讓我受益匪淺。這段時期以及我后面的研究都需要明白或闡述意義何在,能解決什么問題或有什么應(yīng)用,并且要求最好有量化的估計(jì)。這種研究不像純物理理論的研究那么抽象,實(shí)際應(yīng)用要求,解決問題的需要,實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象都能幫助研究者選擇和提煉合適的方案和途徑,并有較大可能得到實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的檢驗(yàn),而不似有些純理論懸在空中難于證實(shí)對錯、意義大小。我認(rèn)為理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的學(xué)習(xí)和研究應(yīng)該更適合大部分人。

1991 年,受Helm 和Allen 1990年發(fā)表在APL 上的一篇文章的觸動,Xu教授和我提出了利用第二類量子阱(type-II QW)結(jié)構(gòu)的帶間共振隧穿來達(dá)到子帶間粒子數(shù)反轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)子帶躍遷激光器。這種激光器是基于半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的子帶躍遷(intersubband transitions),從而顯然不同于常規(guī)基于導(dǎo)帶到價帶躍遷的半導(dǎo)體二極管激光器。它發(fā)射光子的波長是由兩個屬于同一導(dǎo)帶(或價帶)的分立子帶的能量差決定的,并可以通過調(diào)節(jié)量子阱層厚來控制,而不需要改變構(gòu)成量子阱的材料。由于子帶激光器的新穎性質(zhì),包括可以覆蓋通常半導(dǎo)體激光器難于工作的中紅外波段,自從它的原始概念由兩位俄國科學(xué)家在1971 年提出,吸引了世界上許多優(yōu)秀的研究者想方設(shè)法去實(shí)現(xiàn)它。但是光學(xué)聲子的散射在子帶間是允許的,而且非???皮秒量級)。這就使得注入電子轉(zhuǎn)化成光子的效率非常低,而且達(dá)到激光的先決條件,即子帶間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),也難于實(shí)現(xiàn)。所以它在被提出二十年后仍然沒有成功的跡象,許多人也因此產(chǎn)生了悲觀的看法,從而放棄了繼續(xù)探索。Xu教授和我在1991 年提出的方案從原理上能夠解決粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的難題。所以當(dāng)時我很興奮,隨之展開了有關(guān)的研究,并試圖聯(lián)系有設(shè)施條件的單位,希望能啟動實(shí)驗(yàn)研究。同時我也在探索思考如何克服聲子散射的途徑,并經(jīng)常關(guān)注和閱讀有關(guān)課題的研究和進(jìn)展,夢想有一天我能率先實(shí)現(xiàn)子帶躍遷激光器。但現(xiàn)實(shí)是,這一類還停留在原始概念上的提案很難得到重視和支持。我的夢于1994 年被貝爾實(shí)驗(yàn)室在子帶激光器上的突破喚醒了。這個時候我面臨是繼續(xù)追求原來的子帶躍遷激光的方案還是另辟途徑的抉擇。

在探索子帶激光的時候,我注意到,電子的壽命在帶間躍遷過程中,與子帶躍遷相比,可有超過三個數(shù)量級的差距,即電子帶間躍遷的時間,包括輻射和非輻射的過程,由于沒有聲子的散射,要長很多。我在1993 年寫的文章中[討論了這個在它們之間的差別。盡管有了些初始的想法,但我沒在文章中明確提出用第二類量子阱結(jié)構(gòu)的帶間躍遷實(shí)現(xiàn)中紅外激光器。主要是由于情感慣性還在子帶躍遷上,沒能完全跳出原來框框的限制和影響。同時我也決定,要在一個專業(yè)會議上提出基于第二類量子阱結(jié)構(gòu)的帶間激光方案。所以在1994 年3月初,我投了一篇摘要到當(dāng)年8 月份要召開的國際會議上。因?yàn)楫?dāng)時貝爾實(shí)驗(yàn)室的子帶量子級聯(lián)激光器突破性的工作還沒在4 月份的《科學(xué)》上報道,我那篇摘要及隨后的會議張貼報告和文章的標(biāo)題仍然是集中于子帶躍遷的激光器,盡管會議報告和文章包含了帶間級聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)和討論。后來看到《科學(xué)》上貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作,經(jīng)過一段時間思考,我覺得繼續(xù)追求子帶躍遷的激光已沒多大意義,我既無資源也沒優(yōu)勢。從研究目的和功能方面上考慮,如何使激光器的性能滿足各方面應(yīng)用的要求應(yīng)該是最重要的,而不只是看重這個研究是不是新的或者是不是“熱點(diǎn)”。從物理原理上看,子帶量子級聯(lián)激光器并沒越過聲子散射的限制;而帶間級聯(lián)激光器沒有聲子散射的問題,且具有級聯(lián)的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)該會成為性能更加優(yōu)越的中紅外激光器。所以我此后的工作主要集中在帶間級聯(lián)激光器的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展。這里需要補(bǔ)充說明一下,級聯(lián)(cascade)是類似于早期超晶格研究中的順序隧穿(sequential tunneling)結(jié)構(gòu)。由于先前的研究聚焦在子帶躍遷發(fā)光,級聯(lián)結(jié)構(gòu)對中紅外激光器的重要性和優(yōu)點(diǎn)并沒有在那時候的研究中明顯提到或強(qiáng)調(diào)。級聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和重要性可能并沒有被包括那些量子級聯(lián)激光器的先驅(qū)在內(nèi)的研究者在初期就完全認(rèn)識到。例如,筆者在1994 年提交了一篇專門討論帶間級聯(lián)激光器的文章到《應(yīng)用物理快報》(Applied Physics Letters),但被拒絕了。顯然,評審者當(dāng)時沒能認(rèn)識到帶間級聯(lián)激光器與常規(guī)半導(dǎo)體帶間激光器的差異,忽視了級聯(lián)的重要性。圖2 給出了常規(guī)帶間激光器,子帶量子級聯(lián)激光器和帶間級聯(lián)激光器這三種半導(dǎo)體激光器的對比。常規(guī)帶間激光器(圖2(a))是涉及分別在導(dǎo)帶和價帶的電子和空穴的雙極(bipolar)型器件,其中多個產(chǎn)生光的有源量子阱區(qū)(active QW regions)按載流子注入的方式是等效于并聯(lián)連接。子帶量子級聯(lián)激光器(圖2(b))是僅涉及電子(或空穴)的單極(unipolar)型器件,但它的有源區(qū)是串聯(lián)連接的。這使得級聯(lián)激光器中的每個注入電子,在電壓下,能夠重復(fù)利用,發(fā)射多個光子,從而導(dǎo)致高的量子效率。帶間級聯(lián)激光器(圖2(c))可以被看成結(jié)合了前兩者優(yōu)點(diǎn)的混合(hybrid)型,它利用InAs 和GaSb之間的第二類破缺帶隙能帶排列促成了級聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種第二類破缺帶隙異質(zhì)結(jié)界面也可看作是產(chǎn)生電子和空穴的半金屬源,如圖2(c)垂直虛線所示。文獻(xiàn)中對級聯(lián)結(jié)構(gòu)明確的認(rèn)知和重要的討論是出現(xiàn)在量子級聯(lián)激光器實(shí)現(xiàn)之后,也是在筆者公開提出帶間級聯(lián)激光器之后。那時雖然有不少人向我表達(dá)了對帶間級聯(lián)激光器的興趣,但并沒有切實(shí)地付諸于行動。這可能有多種原因,包括懷疑和不清楚它到底能夠進(jìn)步到什么程度。所以,僅僅知道或提出一個看起來還不錯的新想法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

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 圖2 三種半導(dǎo)體激光器的對比(a)常規(guī)的雙極型(電子和空穴)帶間激光器;(b)單極型(僅有電子或空穴)子帶量子級聯(lián)激光器;(c)結(jié)合了前兩者優(yōu)點(diǎn)的帶間級聯(lián)激光器。注意導(dǎo)帶和價帶有相反的能量—波矢色散關(guān)系,而屬于同一導(dǎo)帶的子帶有相似的能量—波矢色散關(guān)系

3 在美國的發(fā)展

在有了帶間級聯(lián)激光的基本想法和公開提出后,我就與世界上有條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作的機(jī)構(gòu)聯(lián)系,希望他們能采納我的方案并給我工作的機(jī)會。帶間級聯(lián)激光器要利用基于含銻化合物的第二類異質(zhì)結(jié)構(gòu)中特有的能帶位置排列方。這需要用有裝備銻源的分子束外延設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。那時世界上有這種設(shè)備的單位并不多,即使有也不一定會用來支持我這樣一個當(dāng)時基本上還是做理論的,也沒什么背景的年輕人。通過理論物理學(xué)家趙光安先生的引薦,朱經(jīng)武先生決定給予支持,我因此于1995 年初到美國休斯頓大學(xué)由朱先生創(chuàng)立的空間真空外延中心任研究科學(xué)家。那時朱先生己在掌管超導(dǎo)中心,不再領(lǐng)導(dǎo)外延中心,我當(dāng)時在從貝爾實(shí)驗(yàn)室來中心任副主任的白先慎教授組里工作。那時期經(jīng)費(fèi)還較充足,也有些半導(dǎo)體方面的基礎(chǔ)設(shè)施包括所需的分子束外延設(shè)備,中心想要拓展一些新的有潛力的研究項(xiàng)目。所以幾個人聯(lián)合起來開始推動了帶間級聯(lián)激光器的實(shí)驗(yàn)研制,也與美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室、加拿大國家研究院、桑迪亞(Sandia) 國家實(shí)驗(yàn)室、貝爾實(shí)驗(yàn)室的科研人員建立了合作。1997 年初,帶間級聯(lián)激光器在世界上第一次被實(shí)驗(yàn)證明可產(chǎn)生激光。雖然第一個的器件性能并不好,但很快,隨后制作的帶間級聯(lián)激光器被大大地改進(jìn)了,證實(shí)了它的一些優(yōu)越性。初步的成功帶給大家興奮,也給休斯頓大學(xué)帶來了榮譽(yù),同時孕育著我不久的離開。

在1999 年初, 我離開了休斯頓,先后去了美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、加州理工噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、俄克拉荷馬大學(xué)(University of Oklahoma),繼續(xù)推動帶間級聯(lián)激光器的研發(fā)和應(yīng)用,以及拓展到其他有關(guān)的光電功能器件。期間也與人合創(chuàng)公司,試圖把帶間級聯(lián)激光器轉(zhuǎn)化成商業(yè)產(chǎn)品。這些過程當(dāng)然有曲折起伏,卻不是本文要講述的。

在去JPL 前,雖然也做測量表征,但我主要是考慮概念的發(fā)展和整體方案的實(shí)施,做器件設(shè)計(jì),理論計(jì)算和分析。在JPL,我需要搭建檢驗(yàn)激光性能的專用實(shí)驗(yàn)設(shè)置,此后,我從一個理論家轉(zhuǎn)變成以實(shí)驗(yàn)為主,并擁有自己掌控設(shè)備的研究人員。不過,在工作中仍然經(jīng)常要用到理論物理的知識和技能。比如,設(shè)計(jì)、分析和判斷帶間級聯(lián)激光器,量子力學(xué)是必不可少的。如果沒有理論物理的素養(yǎng)和基礎(chǔ),碰到的實(shí)際問題很有可能在限定的時期內(nèi)無法解決,也不知道如何入手。當(dāng)然,在大學(xué)本科和研究生期間學(xué)習(xí)的知識是不夠的,也不一定對口。所以在工作中還要不斷地補(bǔ)充專業(yè)知識,學(xué)習(xí)新的技能。當(dāng)跨越理論和實(shí)驗(yàn)的界限時,視野就變得更加開闊,也能從不同方面獲得益處。更為重要是,能深入地理解現(xiàn)實(shí)中的問題,從而找出或制定可行的解決方案。另外我也體驗(yàn)到理論與實(shí)驗(yàn)工作中的差別。做理論研究時需要專心平靜,而做實(shí)驗(yàn)時,如果已比較熟練,可以通過手的操作進(jìn)入工作狀態(tài)。所以,當(dāng)我心情煩躁無法專心腦力勞動時,就安排自己去做實(shí)驗(yàn)。

在JPL,研究工作要能為美國航天任務(wù)提供或發(fā)展有用和必需的技術(shù)。雖然JPL 也鼓勵研究人員發(fā)表論文,但更看重研究成果是否能為它所用。我在那里的工作是研制先進(jìn)的中紅外半導(dǎo)體激光器,其性能指標(biāo)要達(dá)到內(nèi)部和外部客戶對指定分子探測的要求。這不同于一般基礎(chǔ)研究的標(biāo)準(zhǔn),所涉及的問題跨越半導(dǎo)體物理,材料的生長,量子器件設(shè)計(jì)、制備、封裝,可靠性,等等。挑戰(zhàn)是多方面的,同時我們的研究工作能對人類星際探索有所貢獻(xiàn)也是難得的機(jī)會和榮幸。在頭幾年,我們團(tuán)隊(duì)研制了一些在重要波段中的單??烧{(diào)式帶間級聯(lián)激光器給有關(guān)的客戶試用,得到了他們的肯定和反饋。然后我們就獲得了為火星探險任務(wù)提供帶間級聯(lián)激光器的機(jī)會。這個激光器是為了探測火星上的甲烷氣體,對它的技術(shù)指標(biāo)諸如功耗、工作溫度、輸出功率、激射波長、可調(diào)范圍都有非常嚴(yán)格的要求,在當(dāng)時有限的時間內(nèi),幾乎是不可能達(dá)到的。但那時沒有比我們的激光器更好的選擇。因此這個激光器被列為最具風(fēng)險的項(xiàng)目。這意味著,如果我們的進(jìn)展達(dá)不到預(yù)先設(shè)定的一系列里程碑,項(xiàng)目隨時可能被備用方案取代。雖然壓力巨大,但動力也是不可阻擋的。前期的工作讓我們的團(tuán)隊(duì)有了清楚的認(rèn)識和準(zhǔn)備,其中物理上的考慮發(fā)揮了關(guān)鍵作用。與之相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)已發(fā)表, 此文不再贅述。我們在2007 年初交付了達(dá)到要求的帶間級聯(lián)激光器,其中一支隨著“好奇號”火星探測車于2012 年登陸火星,并在火星上成功探測到甲烷。

當(dāng)合格的激光器被交付后,我在JPL 的使命就算完成了,NASA的行話就是“Mission completed”。那時有兩個地方希望聘用我去工作。其中之一是University of Oklahoma(OU)電子工程系。我很想去大學(xué)工作,因?yàn)槟歉杂?、靈活,加之自己對教育也有興趣,希望有更多機(jī)會與年輕人交流。但OU 地處比較保守的州,地理位置不具優(yōu)勢,學(xué)校在半導(dǎo)體科研方面的硬件設(shè)施和環(huán)境明顯落后于JPL 這類國家實(shí)驗(yàn)室級別的單位,要在那做出類似于JPL 的工作很具挑戰(zhàn)性。經(jīng)過實(shí)地考查和一段時間考慮后,并征得了家人的同意,我于2007 年接受了大學(xué)教授的職位。主要的理由是:大學(xué)需要開辟有意義的新研究方向,而不是非要做與國家實(shí)驗(yàn)室比硬件實(shí)力的研發(fā)課題。保守地區(qū)較慢的節(jié)奏也有其好處,工作的方式不總是為了趕進(jìn)度而變得匆匆忙忙。OU 有我所需要的分子束外延設(shè)備和基本必需的半導(dǎo)體器件制作設(shè)施,我也可以用啟動資金購入一些更好的儀器,還可以通過與外單位的合作來彌補(bǔ)和加強(qiáng)學(xué)校的不足。所以我相信能在俄克拉荷馬再次突破,開拓出新的局面。就位之后,我很快建立起與物理系教授研究組的合作,率先在世界上提出并實(shí)現(xiàn)了lnAs 基帶間級聯(lián)激光器,把它們的激射波長延伸到更長的波段,取得了一系列有意義的成果,并且最近在4.6 μm波長附近獲得了室溫閾值電流密度破世界記錄的卓著成就(越低越好)。我在OU 的第一個學(xué)生來自本校物理系,除了實(shí)驗(yàn)研究成果外,還做出了非常出色的理論研究,畢業(yè)時被美國兩家國家研究單位競相招聘。另外在OU,我們開拓了兩個新的研究方向:帶間級聯(lián)紅外探測器和光伏器件,都獲得了聯(lián)邦研究基金的支持,取得了令人鼓舞的初步成果。當(dāng)然也碰到了意想不到的困難和挑戰(zhàn)。比如,時間被瓜分成更多的碎片,學(xué)生流動性大且程度往往相差較遠(yuǎn)。所以,新的環(huán)境帶來了新的挑戰(zhàn),同時新的機(jī)遇也孕育其中。

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圖3 楊瑞青教授與學(xué)生及合作者在實(shí)驗(yàn)室留影(2014 年)

4 思索與感想

縱觀這些經(jīng)歷,在學(xué)習(xí)和研究工作中,什么是關(guān)鍵和重要的?多數(shù)情況下,專業(yè)領(lǐng)域方向和研究課題的選擇應(yīng)該占首要位置。如果專業(yè)方向不對,就可能變成“英雄無用武之地”; 而研究課題選擇不當(dāng),結(jié)果就沒多大意義,也沒有實(shí)際應(yīng)用的價值,發(fā)表的文章除了哄哄外行裝裝門面,與廢紙無異,浪費(fèi)了時間和資源。那么如何選擇,什么是有意義和有價值的,如何評判?

讓我們先來討論專業(yè)方向的選擇。物理學(xué)是很多學(xué)科的基礎(chǔ),對邏輯思維,分析和解決問題能力的培養(yǎng)極為有益。但經(jīng)過上百年的發(fā)展,物理學(xué)的很多分支都相當(dāng)成熟,有些已經(jīng)過了高峰期,就像一個礦藏被開發(fā)了很多年,留下的寶貝不多了,也就不需要那么多人在那些傳統(tǒng)的方向上開墾。所以在物理本科或研究生階段后,對多數(shù)人來講,轉(zhuǎn)入與物理相關(guān)和應(yīng)用的領(lǐng)域, 不僅前景更加廣闊,而且大有可為。我本人是在獲得物理學(xué)博士學(xué)位后做的調(diào)整,考慮到現(xiàn)代社會的節(jié)奏加快,越到后面變化就越困難, 對有些人,在年輕的時候盡早調(diào)整應(yīng)該更合適些。具體選擇什么方向,則要依據(jù)個人的興趣愛好及當(dāng)時的情形做較為長遠(yuǎn)的分析和計(jì)劃?;蛟S下面對研究課題選擇的討論能對這個問題有所啟示。

如何選擇和評判研究課題是難于讓各方都滿意的,特別對基礎(chǔ)研究爭議會較多。相當(dāng)一部分基礎(chǔ)研究是出于好奇心驅(qū)動,初期并不知道或不清楚未來有多大價值或應(yīng)用。但對絕大多數(shù)研究而言,課題的選擇和評判應(yīng)當(dāng)取決于最終能產(chǎn)生何種有用的知識和價值,實(shí)際應(yīng)用和解決現(xiàn)實(shí)問題的程度。這就是說,研究成果應(yīng)該在最后能經(jīng)得起檢驗(yàn),雖然有些基礎(chǔ)研究可能要經(jīng)過很長時間。這種評判也不是完全由同行專家決定,因?yàn)橥兄g為了保護(hù)各自行業(yè)利益和生存并不總是公正的。在此情況下,第三方或者潛在用戶的參與應(yīng)是必需的,也是有幫助的。這就意味著,項(xiàng)目的選擇不僅要立意于同行的認(rèn)同,也要爭取對其他領(lǐng)域有所促進(jìn)。這要求研究人員有長遠(yuǎn)的眼光和洞察力,了解其他行業(yè)的應(yīng)用和需求,并能與之合作。從理論物理到光電器件的研究經(jīng)歷讓筆者體驗(yàn)了理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,跨學(xué)科合作的益處。在研究選向中,我不傾向,也不擅長做“熱點(diǎn)”課題,覺得太擁擠了,已聚集那么多聰明人,無論如何努力也是趕不上的。因此,我更愿意考慮那些還沒有什么人注意,但有潛在意義和應(yīng)用前景的研究課題。這樣的課題并不比純理論的物理研究更難,我感覺通常還容易些。但要求研究者對涉及的物理機(jī)制有深入的理解,學(xué)習(xí)跨學(xué)科的知識,以及了解應(yīng)用的要求。剛開始時,可能會很孤獨(dú),沒什么支持,也沒有掌聲,可能還會有始料不及的技術(shù)上和非技術(shù)上的挫折。但是,只要物理原理是對的,堅(jiān)持下去,就有可能克服困難獲得最后的成功。當(dāng)然,有時運(yùn)氣也是重要的。帶間級聯(lián)激光器的提出和發(fā)展正是反映了從原始概念的基礎(chǔ)研究到實(shí)用技術(shù)和商業(yè)產(chǎn)品這樣一個相當(dāng)長的過程。在這當(dāng)中,基礎(chǔ)研究和技術(shù)發(fā)展相互交叉和促進(jìn)?;A(chǔ)研究可以產(chǎn)生出人預(yù)料的突破和新技術(shù),技術(shù)的發(fā)展和要求也促使了相關(guān)基礎(chǔ)研究的開展和深入。另外需要提醒注意的是,對于有應(yīng)用前景的研究,技術(shù)商業(yè)化,雖然是目標(biāo),并不一定在任何階段都是有益或可行的,過早地涉及很可能是有損害的。

以上觀點(diǎn)和敘述源自筆者與物理有關(guān)的近40 年經(jīng)歷,希望這些可以促進(jìn)探討和交流,并對年輕研究者有參考作用。

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