“我心里一直有一個聲音，做基礎研究就要在底層原理做出跟別人不一樣的東西，這個愿望非常強烈。我也知道這么做很可能失敗，但這已經(jīng)成為我的職業(yè)習慣?！敝袊茖W院上海技術物理研究所陸衛(wèi)研究員深知，底層原理決定技術的“天花板”，只有發(fā)現(xiàn)新的原理，才可能產(chǎn)生顛覆性技術。

上海技物所研究員陸衛(wèi)。黃海華 攝

空間紅外探測器是衛(wèi)星的“眼睛”，陸衛(wèi)帶領團隊實現(xiàn)兩次重大跨越——洞悉“暗電流”之源，“看”得更清；突破靈敏度極限，辨得更明。

30多年來，懷揣“非常強烈”的科學追求，陸衛(wèi)一直埋頭趕路，“苦中亦有喜樂之趣”，只要一抬頭，那無垠星空就是他的夢想所在。

【只要看到不能解釋的現(xiàn)象，就會心潮澎湃】

“暗電流”是一道世界性難題。

上世紀四五十年代，隨著第一代紅外探測器的發(fā)明應用，科學家們很快發(fā)現(xiàn)，即使將探測器完全置于絕對黑暗中，仍然會測量到電流信號。這是由于探測器材料內部電子的熱運動，產(chǎn)生了假信號，就像舊式電視機上的“雪花點”。這種“內部噪聲”會干擾對微弱紅外信號的探測。這個電流存在于黑暗中，故被稱為“暗電流”。

只有從原理上弄明白“暗電流”從哪來，才能有效地將它變小。在對半導體界面的光譜研究中，陸衛(wèi)逐步建立了“電子局域化操控”理論，不再將電子簡單地視為均勻的，而聚焦于局域化電子的特定行為，并尋求主動“操控”它們。陸衛(wèi)提出了被稱為第四類躍遷的準束縛態(tài)躍遷模式，并指導團隊驗證了這一躍遷模式大幅抑制暗電流的優(yōu)勢。這一工作獲得國家自然科學獎二等獎。

但這對于陸衛(wèi)來說還是不“解渴”。有沒有可能看清楚“暗電流”究竟是怎么隨機運動的？當時全世界都沒有這樣的儀器。在強烈的“想看一看”驅動力下，陸衛(wèi)帶領團隊研制起了觀測設備。

一根頭發(fā)絲直徑大概70微米，陸衛(wèi)團隊研制的電子溫度成像顯微鏡（見下圖）可以觀測到50納米尺度，比頭發(fā)絲的千分之一還要小。這時候有趣的現(xiàn)象出現(xiàn)了——半導體溝道的電子并不按照傳統(tǒng)的焦耳定律耗散能量。

電子溫度成像顯微鏡可以觀測到50納米尺度。黃海華 攝

“只要看到不能解釋的現(xiàn)象，就會心潮澎湃。這是上帝打開了一扇小窗子，讓你看了一眼，很多人是無緣看見的?！标懶l(wèi)說。

又經(jīng)過一年多對這一不尋?，F(xiàn)象的探究，這一顛覆底層物理認識的創(chuàng)新成果發(fā)表于國際權威學術期刊《科學》，這也是以工程見長的上海技物所建所67年來發(fā)表在該期刊的第一篇論文。

陸衛(wèi)和團隊將這一對電子準絕熱傳輸行為的物理新認知，融入量子阱長波紅外焦平面器件的設計研制中。該器件的“暗電流”性能（即內部噪聲水平）優(yōu)于美國Landsat-9衛(wèi)星所用同類探測器一個量級以上，靈敏度則超越了數(shù)倍。2020年，該器件應用于我國新技術試驗衛(wèi)星G星，實現(xiàn)了我國高性能量子結構的紅外探測器在航天應用的開端。

陸衛(wèi)（右一）和翁錢春、李寧研究員交流超分辨紅外近場納米熱成像研究進展。

對于空間遙感探測來說，看到物體的形狀只是第一步，關鍵要分辨物體的成分。

每個人有不一樣的指紋，光譜如同各種物質的“指紋”，通過光譜成像可精確識別物質成分。然而，在長波紅外波段，環(huán)境中存在大量的背景輻射，這使得探測器的像素容易瞬間被背景輻射光子塞滿，無法裝下目標信號，就像在白天太陽光太耀眼，會遮住遙遠星星的光芒一樣。這是紅外領域另一道根本性難題——“背景限制”。

為破解這一難題，陸衛(wèi)借鑒“臨界耦合模式”，提出了光電臨界耦合模式?！芭R界耦合并不是我們提出來的，但將這一概念用到探測器上，使之具有顛覆性功能，是我們第一次實現(xiàn)?！标懶l(wèi)說，這需要廣泛的科學視野，對其他領域的工作“觸類旁通”。

光電臨界耦合模式的應用，使得團隊研制出單片集成56光譜通道的新型紅外焦平面器件，而此前美國研制的4通道是同類器件最高水平。如今，該器件已應用于遙感三十七號衛(wèi)星，用戶評價其效果為“開創(chuàng)性突破”。

【在“巴斯德象限”中實踐，有喜樂之趣】

30多年如一日從事基礎研究，苦嗎？

陸衛(wèi)告訴解放日報記者，在“巴斯德象限”中實踐，苦中亦有喜樂之趣。因為做的是面向國家重大需求難題的基礎研究，有獲得新認知之喜，更有變革性解決需求之樂。

“巴斯德象限”是科學研究的一種分類模型，特指應用目標驅動的基礎研究。微生物學家巴斯德正是此類研究的典范——既深化了對發(fā)酵機制的認知，又直接改良了釀酒工藝。

這正是陸衛(wèi)一直以來的“孜孜以求”。

曾經(jīng)有一段時間，物理學被認為黃金時代已經(jīng)過去。但陸衛(wèi)堅信，物理學的重要性不可替代，尤其在支撐國家戰(zhàn)略技術方面。

在“巴斯德象限”實踐中，陸衛(wèi)十分重視“跨域”。在德國布侖瑞克技術大學深造時，他就跨域做了一個跟磁學相關的自旋鏈工作。此前，光譜研究出身的他對此幾乎一無所知。陸衛(wèi)沒有畏難，實現(xiàn)了對諾貝爾物理學獎核心成果“霍爾丹猜想”的光譜學實驗驗證。

借鑒“臨界耦合模式”，突破探測器靈敏度極限，則是又一次跨域。

陸衛(wèi)團隊里，既有做傳統(tǒng)光電器件的，也有探索光學前沿的。他總是鼓勵不同方向的要多交流，以探尋跨域的可能性。

對于跨域的AI技術，陸衛(wèi)也早有關注。他提出構建紅外材料大數(shù)據(jù)模型，帶領團隊開展下一代面向紅外芯片的光譜與界面功能關系研究。

國產(chǎn)自動化紅外材料外延設備剛剛投入運行，陸衛(wèi)（左一）和喬輝研究員在觀察設備狀態(tài)。

【敞開著的，不僅是物理意義上的門】

陸衛(wèi)有一個多年的習慣，只要他在辦公室，門就一直敞開著。

陸衛(wèi)學生、上海技物所在站博士后金融說，“這扇開著的門，讓我們感到安心和踏實，如果有什么問題和想法，可以直接走進去?！?/p>

為何要把門一直敞開著？“敲門是要有膽量的，有些孩子鼓足勇氣走到你門口，很可能想敲門手又縮回去了。學生思想很活躍，和他們交流相得益彰。”陸衛(wèi)說。

陸衛(wèi)最喜歡學生問為什么。上海技物所研究員翁錢春還是博士生時，有一天急著找時任上海技物所所長的陸衛(wèi)討論科學問題，但他那天抽不出太多時間，翁錢春就跟著他去食堂吃飯，路上、飯桌上和他討論。“這就是盯著我了，做研究就需要這股勁?！标懶l(wèi)說。

敞開著的，不僅是物理意義上的門，科學研究的門亦如此。

翁錢春多年前剛做研究生時，陸衛(wèi)一開始安排他做紅外光譜方向，這是課題組的優(yōu)勢所在。但他出于個人興趣，想做基于半導體量子結構的單光子探測器?！拔覜]想到陸老師竟然同意了，畢竟這關系到組里科研布局。這對當時年輕的我來說，是很大的激勵。”

在研制電子溫度成像顯微鏡時，陸衛(wèi)從未給團隊設定過KPI考核和節(jié)點目標，平常也不催促?！斑@種寬松環(huán)境讓我們得以自由地探索，用四五年時間搭建了世界上首個50納米尺度的電子溫度成像系統(tǒng)。我現(xiàn)在有了自己的課題組，也在向陸老師學習，壓力盡量自己扛，給團隊更多探索空間。”翁錢春說。

“當時，如此高分辨率的電子溫度成像顯微鏡前所未有，研制難度很大。攻堅的時候，翁錢春都睡在了實驗室，我更不能再加壓了?！标懶l(wèi)說。

他曾當面請教過一位諾獎得主，怎樣才能產(chǎn)生諾獎級成果，對方認為最重要的是與之匹配的“完美土壤”。“我理解這需要一個好的科研環(huán)境?！痹陉懶l(wèi)看來，有組織科研不意味著要把基礎研究也做成工程，“有組織科研是定方向，但具體走什么路徑，只有讓大家各顯神通，才可能出現(xiàn)顛覆性成果?！?/p>

陸觀海，這是陸衛(wèi)曾經(jīng)的微信昵稱，也是他想表達的科研路徑意象——立足堅實的基礎研究（陸），用嚴謹?shù)目茖W方法（觀），探索需求牽引下的未知世界（海）。

“我現(xiàn)在63歲了，還不斷看到一些無法理解的物理現(xiàn)象。這就得慢慢磨了，什么時候能磨出個道道，也不知道?！标懶l(wèi)說。

這也許就是科學研究的魅力所在，喜樂之趣所在。

陸衛(wèi)簡介：

我國紅外物理基礎研究專家，作為第一完成人榮獲國家自然科學二等獎1項，國家技術發(fā)明二等獎1項。發(fā)表SCI論文361篇，他引超過15000次，獲授權發(fā)明專利158項，出版《半導體量子器件物理》等專著。入選上海市首批“啟明星計劃”。

題圖來源：除署名照片，其他由受訪單位提供

來源：作者：解放日報 黃海華