追那道看不见的光破世界级物理难题——访中国科学院院士我国著名红外光电子物理学家褚君浩汤定元科学家科学大奖

63年前,上海徐汇中学一名16岁高中生在笔记本上写下感慨,为没有一条以中国人命名的定律而遗憾,并决心奋发读书、为国争光。

若干年后,这个少年成了那个写定律的人。

在红外物理领域,他在上世纪80年代提出的CXT公式和吸收系数公式成为碲镉汞材料器件设计的重要依据,至今仍是国际上判断红外探测器新材料、新结构的通用公式。

他就是红外物理学家、半导体物理和器件专家、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员褚君浩。CXT公式和吸收系数公式正是以褚君浩(C)、徐世秋(X)、汤定元(T)这三位中国科学家的名字命名的。

图说:褚君浩始终保持着对学习和阅读的热爱本报记者陶磊摄

科研路

如今,只要没有外出安排,每天9时左右,褚君浩总会出现在上海市技物所光电大楼4楼的办公室里。

这是间再普通不过的办公室——右侧是会客用的沙发,左侧的一整排沿墙书架被塞得满满当当,后来者就只能被堆放在地上。

屋子的“镇宅之宝”,就和其他书籍、文件、纪念品一起,挨挨挤挤站在书架上。“喏,就是这几本书。”指着几本深蓝色的原版书,褚君浩笑道。

科学史上,红外光的发现多少带着偶然的成分——19世纪初,英国科学家赫胥尔设计了一个实验装置,将太阳光分解成彩色光带,然后在不同颜色光带中放置温度计,以测量光带中不同色光所包含的能量,再和室内其他位置的温度计进行比较。赫胥尔意外发现,放在光带红光外的温度计,比室内其他温度计的指示值都要高。经过反复实验,他证实了太阳发出的光线中除了可见光外,还有一种看不见的“热线”,由于位于红色光外侧,因而被称之为“红外光”。

褚君浩和红外光的相遇,也是偶然。由于高考语文作文偏题,他和第一志愿复旦大学失之交臂,被上海师范大学录取。然而,这并未影响他从小对物理的喜爱。1978年,我国恢复研究生考试。中国科学院院士严东生很欣赏机敏好学的褚君浩,便推荐他参加中国科学院上海技术物理所的研究生录取考试。当时,在上海技物所,中国半导体科学和红外技术开拓者之一、著名红外物理学家汤定元已经敏锐地看到,碲镉汞是制备第三代红外光子探测器最重要的材料,也是开展太空探测的基础。因此,他选择以窄禁带半导体碲镉汞作为主攻方向,亲自组建团队开展窄禁带半导体物理基础研究。然而,从本科到毕业后在普陀区梅陇中学当老师,褚君浩始终偏好的是理论物理,这一切,对于当时还是红外物理的“门外汉”褚君浩来说是全新的。求学心切的他想到复旦大学研究生录取考试还要晚半年才举行,便决定去试试。凭借本科学习打下的坚实基础,他自学了黄昆和谢希德的《半导体物理学》,以90分的高分通过了考试,师从汤定元先生,踏上了红外物理科研之路。

汤定元给褚君浩布置的是一项“看似不可能”的任务——测量出碲镉汞红外本征光吸收光谱。这在当时是一个世界级难题,尚无人攻克。要做出碲镉汞红外本征光吸收光谱,首先就需要制备出大量碲镉汞薄样品,来解决如何测量高吸收系数的问题。然而这种样品价格昂贵,指甲盖大小就需要上千美元。令褚君浩感动的是,研究所其他小组在生长这种材料,他们毫无保留地贡献出自己的资源出来,集合一切力量,帮助褚君浩开展从“0”到“1”的突破。

“当时那些样品袋我都保存着。”指了指书柜,褚君浩说。虽然纸袋早已空空荡荡,但却盛满了科研人携手合作的情谊。

图说:褚君浩在技术创新论坛上作报告采访对象供图

2带着学生一起向前跑

宇宙苍穹,红外光虽然无法用肉眼看见,但时时刻刻帮助人们洞察世界的真相。照向国之重器,也直抵民生所需。有了它的助力,“玉兔号”月球车和“祝融号”火星车得以睁开“眼睛”,探测星球表面的物质成分;风云卫星能够实时采集数据,为大气做“CT”,追踪台风飘忽不定的轨迹;救援人员能探测山林大火之后哪里还有生命留存……

为了“看见”这道光,更为了让这道光为国为民所用,褚君浩已经奋斗了半个多世纪。他坦言,上世纪80年代初曾有机会赴美攻读博士,且一年的津贴是留在国内的20倍。不过,要转攻其他领域。听取了汤定元先生建议,褚君浩选择了留在技物所。

“红外技术是买不到的。经过几十年自立自强研究发展。从上世纪90年代开始,我们已经不再受技术‘卡脖子’的影响,构建了从基础研究、应用研究到工程应用的独立体系。”褚君浩祖籍江苏宜兴,从小生活在上海,言谈中带着软糯的南方口音,但是,讲到红外技术的发展前景,他的语气铿锵有力。“我们已经能够制备出很好的窄禁带半导体材料,在不同的波段都有很好的性能,并且把这些材料、器件应用于空天科技、风云卫星、火星探测、月球探测等各个领域。”褚君浩打了个形象的比方,“我们已经从跟跑到并排跑,到现在开始部分领跑。”

图说:褚君浩在办公室内工作采访对象供图

而在后辈学生们眼中,褚君浩就是那个定方向的人,跟着他走,总会有收获。因为他总会宽容地说,“如果能证明这个材料不能做,也是一种成果”。

如今也已经成为一名博导的黄志明研究员是70后,他申请的国家发明专利“单色仪分光红外椭圆偏振光谱仪”曾获第五届中国国际发明展览会金奖。很少有人知道,这个课题在开展半年时,差一点因为计算遇到瓶颈而夭折。“褚院士对我说,你回去考虑三天,三天后如果还觉得要放弃,那就放弃。”黄志明说,经过褚院士的点拨和鼓励,课题出现了转机。最终这套红外椭圆偏振光谱仪成为科研人员的手中利器,帮助团队完成了一系列新材料光学常数的测定,也坚定了年轻科研人员在红外物理研究这条路上的决心。

“做,要做到极致。”这是褚君浩对自己和团队的要求。

成长路

爱科学的心是这样炼成的

不做书呆子养成学习好习惯

如今,在华东师大档案馆中,摆放着一张大书桌。这是褚君浩院士一家的回忆。

书桌的抽屉里,藏着童年的蟋蟀罐,藏着1956年“上海市中小学生及自学小组学生体育运动会”跑步比赛第二名的奖牌,藏着不够完美的成绩单,也藏着一个“小调皮”对世界蓬勃的好奇心。

小学时,褚君浩远算不上“学霸”。体育和自然拿了5分(满分),其余科目中,阅读4分、作文4分、写字3分、算术4分,和标准意义上的优等生相距甚远。在他的世界,游戏和运动是绝对主角,放学后的时光属于在丽娃河游泳、登上第五宿舍尖顶讲故事、和伙伴们一起爬树。

“好动手、好动脑、会玩、会运动,广交朋友,不是一个呆子。”若干年后,华东师大附小老校长陈先墀老先生点评了这位当年的学生。陈老先生写道,褚君浩的成功,是因为保持了“纯洁的童心、为大众的初心、科普的热心、对事业的爱心、努力工作的决心”。“我有个很好的习惯,就是上课注意力非常集中,只看黑板、老师和书三个地方,这样放学后就能很快完成功课。”褚君浩自我总结。

图说:褚君浩采访对象供图

读书勤思考写下3万字札记

字里行间,跃动少年蓬勃的求知欲。从月亮的圆缺、宇宙的起源到电子何以会围绕核作不停的运动,从“无穷点的比较问题或无穷数的比较”到“乒乓球中的削球原理之联想”“人造卫星和天体物理学的将来”,物理、数学、天文等方面的种种问题,都引发了他无穷的探究和推演。

图书馆成了褚君浩最爱去的地方,泛黄的笔记本上,留下科学少年长长的阅读书单。一本巴掌大的特殊“影集”记录了当年爱书人特别的借阅方式——用微缩相机将原版图书一张张拍下,再影印装订起来。在读完笛卡尔的《哲学原理》后,褚君浩写道,“我们要以怀疑一切的眼光来对待一切科学结果,尤其是那些所谓不言而喻的结论。要对于感官所见的对象,完全正确地运用自己的理性而再形成判断,方能摆脱因外来影响而产生的谬误。”

读大学时,褚君浩给自己起了个笔名,叫“坦牛”。他对人说,这个名字意味着“在平坦的大道上,像牛一样勤奋地工作”。其实他真实的想法是,要当一名像“爱因斯坦”和“牛顿”那样的科学家。

图说:褚君浩在研究生期间进行碲镉汞吸收光谱研究采访对象供图

找到好伙伴父母言传又身教

图说:褚君浩在梅陇中学教书时指导学生做课外科技活动采访对象供图

院士问答

思维和创新是科研的灵魂

作为一名热心科普的科学家,面对不同的受众,褚君浩总有办法用深入浅出的语言,描述红外光的神奇。他为不同听众群体量身制定科普报告:面对中小学生,他喜欢讲科学家的小故事,激发他们探索科学的兴趣;面对社会大众,他聊科学常识,也聊“物联网”等最新科技动态,解读公众对科学问题、社会现象的疑问;面对公务员、产业界人士以及各行业领军人士,他讲高科技发展趋势,从光电信息获取联系到智慧城市建设,从光电能量转换联系到可再生能源和低碳城市。

因此,他对年轻科研人员,对中小学生都有自己的建议——

问:您最看重青年科研工作者身上哪些特质?

问:作为上海市青少年科学研究院院长,您认为该如何保护孩子们对世界的好奇心,激发他们探索世界的欲望?

答:欣赏音乐。我最喜欢的英文歌是“Youraisemeup”,中文歌是《我和我的祖国》。它们的歌词有着深刻的内涵,每一段都围绕着主旋律重复,但每一次重复又有着变化。这很像我们做科研工作的过程。最近,我也在试着写一个曲子,反映科学家如何克服困难,不断取得突破。

图说:1988年,褚君浩从德国回来后,在实验室努力工作采访对象供图

褚君浩简历

1945年3月出生在江苏宜兴

1966年毕业于上海师范学院(现上海师范大学)物理系,被分到上海市梅陇中学当物理老师

1978年考上中国科学院上海技术物理研究所研究生,先后获得硕士学位和博士学位

1984年12月起,担任中国科学院上海技术物理研究所物理室副主任

1993年7月起,担任中国科学院红外物理国家重点实验室主任

2005年正式当选中国科学院院士

●曾获全国首届创新争先奖章、第十四届上海市大众科学传播杰出人物、首届上海统一战线岗位建功十大楷模、上海市科普创新杰出人物奖、2017年度“感动上海人物”等多项荣誉,并被多家媒体誉为“心系科普的院士”。

●发表学术论文800余篇,专利100余项,出版专著6部,先后获得国家自然科学奖3次、省部级科学技术奖12项。

THE END
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