從2004年進(jìn)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(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者馬仁敏，憑借對(duì)科研的執(zhí)著熱愛(ài)和堅(jiān)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(tuán)隊(duì)確證了等離激元納米激光的性能優(yōu)勢(shì)，提出并實(shí)現(xiàn)了魔角納米激光，打破了納米激光只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)或固定陣列相干激射的局限，成功實(shí)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(chǎng)的奇點(diǎn)介電納米激光》。該研究提出了奇點(diǎn)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(shí)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(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題……馬仁敏和合作者通過(guò)縝密的實(shí)驗(yàn)解決了這一問(wèn)題……實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常重要，為激光的進(jìn)一步微型化鋪平了道路?！?/p>

——Nature Materials專(zhuān)題報(bào)道確證等離激元納米激光性能優(yōu)勢(shì)的工作

“設(shè)計(jì)概念極具創(chuàng)新性，同時(shí)展現(xiàn)了卓越的器件性能?！?/p>

——Nature Nanotechnology專(zhuān)題報(bào)道魔角納米激光工作

“將多個(gè)激光器組合成一個(gè)明亮的光源看似簡(jiǎn)單，實(shí)則極為復(fù)雜……他們對(duì)莫爾平帶的獨(dú)創(chuàng)性應(yīng)用克服了這一挑戰(zhàn)?！?/p>

——Nature專(zhuān)題報(bào)道可重構(gòu)莫爾納米激光陣列的工作

此外，馬仁敏團(tuán)隊(duì)相關(guān)成果入選2018美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics年度重點(diǎn)成果、2018和2020中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展、2020中國(guó)半導(dǎo)體十大研究進(jìn)展、2020中國(guó)百篇最具國(guó)際影響學(xué)術(shù)論文、2024中關(guān)村論壇年會(huì)重大成果。馬仁敏于2021年獲得第三屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”，2022年獲得中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)王大珩光學(xué)獎(jiǎng)等。

馬仁敏及團(tuán)隊(duì)所獲得的部分獎(jiǎng)項(xiàng)

科學(xué)探索之路充滿(mǎn)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(huì)從那個(gè)獨(dú)守在裝滿(mǎn)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(wú)數(shù)次失敗后的“守得云開(kāi)見(jiàn)月明”

在北大讀博士期間，馬仁敏參與實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)等離激元納米激光，彼時(shí)，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(gè)月的時(shí)間，我嘗試制備了幾百個(gè)不同的器件，每天都在實(shí)驗(yàn)室工作到凌晨，但這些器件依然只能在低溫下實(shí)現(xiàn)激射?！?/p>

是換個(gè)賽道重新出發(fā)，還是把這個(gè)關(guān)口闖過(guò)去？馬仁敏選擇了后者。在又一個(gè)熬到凌晨?jī)扇c(diǎn)鐘的夜晚，實(shí)驗(yàn)終于出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)——

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(dòng)了一下實(shí)驗(yàn)臺(tái)，偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(lái)了希望。他如獲珍寶，連續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)周，分析數(shù)據(jù)、探尋機(jī)理。經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了室溫等離激元納米激光。這項(xiàng)成果發(fā)表在Nature Materials以后，被MIT Technology Review專(zhuān)題報(bào)道，稱(chēng)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(shí)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(gè)守在冒著白煙的液氦罐子旁的日日夜夜?！皼](méi)有人喜歡失敗，但是要有心從失敗中吸取經(jīng)驗(yàn)，讓下一次實(shí)驗(yàn)有可能離成功更近一些?！瘪R仁敏認(rèn)為，每一次看似“幸運(yùn)”的科研突破背后，總有著無(wú)數(shù)看不到的艱辛付出，突破瓶頸的重要因素就是堅(jiān)持長(zhǎng)期主義，要能夠有足夠的意志力從失敗和挫折中穿越出來(lái)，絕處逢生。

跨越極限，實(shí)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(dòng)了電子芯片的飛速發(fā)展，目前，最先進(jìn)的晶體管特征尺寸已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)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(duì)可見(jiàn)和近紅外波段的光子來(lái)說(shuō)，由于衍射極限的存在，其體積要比晶體管中的電子大9個(gè)量級(jí)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(shí)驗(yàn)

馬仁敏介紹道，自1960年激光發(fā)明以來(lái)，科學(xué)家們一直致力于通過(guò)時(shí)間、空間等維度壓縮光場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)更高性能的激光。在時(shí)間維度上，極端壓縮光場(chǎng)產(chǎn)生了阿秒激光，使得觀測(cè)微觀粒子的超快運(yùn)動(dòng)成為可能，相關(guān)研究獲得了2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在空間維度上，極端壓縮光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的納米激光有望為新一代信息技術(shù)和研究強(qiáng)光場(chǎng)局域下的光與物質(zhì)相互作用帶來(lái)新的機(jī)遇。

近年來(lái)，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了迄今模式體積最小的激光，所發(fā)明的奇點(diǎn)介電納米激光將激光特征尺度推進(jìn)至原子級(jí)。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(zhǎng)期認(rèn)為在無(wú)等離激元效應(yīng)的介質(zhì)體系中實(shí)現(xiàn)亞衍射極限光場(chǎng)限制是不可能的，因?yàn)檫@看似會(huì)違背量子力學(xué)中的不確定性原理。馬仁敏課題組的此項(xiàng)成果不僅開(kāi)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(wèn)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(shí)，相較于現(xiàn)有激光，奇點(diǎn)介電納米激光不僅能耗更低，還能實(shí)現(xiàn)更快的調(diào)制速度和更強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用，在信息技術(shù)、傳感探測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用潛力。

幸遇良師，以傳承報(bào)答師恩

馬仁敏很慶幸自己在科學(xué)探索的過(guò)程中得遇良師。2004年進(jìn)入北大物理學(xué)院的馬仁敏遇到了引領(lǐng)他進(jìn)入學(xué)術(shù)生涯的兩位恩師：秦國(guó)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(zhǎng)?！拔颐恐苡行夜潭ㄍ乩蠋熀痛骼蠋熞黄鹩懻搯?wèn)題，他們身上潛心治學(xué)、攻堅(jiān)克難的精神品格深深影響了我?！瘪R仁敏說(shuō)道。

2013年馬仁敏與秦國(guó)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(shí)驗(yàn)物理獎(jiǎng)、北京大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生、全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文等多項(xiàng)榮譽(yù)。他說(shuō)：“這些獎(jiǎng)項(xiàng)是對(duì)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(guò)程中深刻體會(huì)到何謂真正的科學(xué)鉆研精神。”

讀博期間，馬仁敏開(kāi)始嘗試研究增益介質(zhì)材料，遠(yuǎn)在美國(guó)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(guó)際開(kāi)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(qiáng)調(diào)平等與質(zhì)疑的精神，鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)術(shù)上與老師平等對(duì)話(huà)，提出問(wèn)題，質(zhì)疑權(quán)威，培養(yǎng)他們的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力。同時(shí)，張老師致力于創(chuàng)造自由開(kāi)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(duì)困難時(shí)會(huì)鼓勵(lì)大家堅(jiān)持下去、不屈不撓。我很懷念當(dāng)時(shí)和大家一起討論甚至爭(zhēng)論學(xué)術(shù)問(wèn)題的時(shí)光?！睋?jù)馬仁敏回憶，當(dāng)時(shí)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(huì)有小組討論會(huì)?！坝懻摰郊?dòng)大家經(jīng)常站起來(lái)‘手舞足蹈’，用馬克筆在白板上繪圖爭(zhēng)論?！辈┦亢笃陂g，馬仁敏完全沉浸在艱辛卻充滿(mǎn)樂(lè)趣的科學(xué)研究中，時(shí)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(guó)外大學(xué)的教職邀請(qǐng)，但他還是在接到母校拋來(lái)的橄欖枝時(shí)毅然選擇回到北大，在最熟悉的地方繼續(xù)熱愛(ài)的科研工作。為了協(xié)助他回國(guó)后盡快安頓生活、開(kāi)展工作，他的家人也辭去美國(guó)的工作同他一起回到了北京，馬仁敏對(duì)家人一直以來(lái)對(duì)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(guò)程充滿(mǎn)艱辛，而正是付出的汗水讓收獲的時(shí)刻尤為難忘?！敖衲?月9日是農(nóng)歷除夕，家家戶(hù)戶(hù)都在團(tuán)圓迎新，我也正在老家與家人團(tuán)聚。之前我對(duì)學(xué)生們說(shuō)，我們要爭(zhēng)取在新年前將奇點(diǎn)介電納米激光的研究成果投遞出去。為此，我特意在老家購(gòu)置了一臺(tái)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?！边@種孜孜不倦、只爭(zhēng)朝夕的努力換來(lái)了稿件的順利接收，也讓師生們的付出有了回報(bào)。教學(xué)相長(zhǎng)、共同進(jìn)步的過(guò)程讓馬仁敏更加堅(jiān)定了成為北大教師這一職業(yè)選擇的正確性。

馬仁敏與團(tuán)隊(duì)進(jìn)行討論

作為北大教師，馬仁敏認(rèn)為，回報(bào)恩師最好的方式就是傳承科學(xué)精神。他說(shuō)：“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(huì)了我如何進(jìn)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(guò)程中，將這種精神傳承下去，鼓勵(lì)他們獨(dú)立思考、銳意進(jìn)取，培養(yǎng)他們對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)和責(zé)任感?！?/p>

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(rùn)心、因材施教中引導(dǎo)學(xué)生成長(zhǎng)的教學(xué)之法。在馬仁敏看來(lái)，隨著國(guó)家綜合國(guó)力的顯著提升以及對(duì)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(tái)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，還擁有百折不撓、持之以恒的科學(xué)精神，以及對(duì)卓越的科學(xué)品質(zhì)的追求?！瘪R仁敏說(shuō)道。歸國(guó)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(wú)人之境”，在探索物理極限的旅途中盡享突破的美感與喜悅。