
薄片又碎了。
时光回溯到40多年前,褚君浩小心翼翼地“手搓”着碲镉汞单晶体材料样品——只有薄至几微米但直径控制在3毫米左右,才有可能捕捉到光谱关键“拐点”,从而准确测定禁带宽度,而这正是当时困扰物理学界的世界级难题。
经数百个样品的手工打磨,历数千轮反复光谱实验,他终于精准测出了这一“拐点”。
仅2.5微米的超薄实验样品,被他珍藏至今。在大量实验和理论工作基础上,褚君浩建立了窄禁带半导体物理学体系,开拓了常温红外探测新方向,提出红外光电探测新原理。
一辈子深耕“窄禁带”这一方寸领域,褚君浩走出了一条宽阔的科学之路:从底层理论构建到技术落地应用再到科研范式革新,研究成果服务风云四号气象卫星、探月探火等国家重大工程。
今天(7月2日),这位81岁高龄仍“不敢躺平”的科学家,获颁上海市科技功臣奖。
【窄域深耕】
1978年,“科学的春天”来临,33岁的褚君浩考入中国科学院上海技术物理研究所,师从红外物理学家汤定元,后成为我国自主培养的第一位红外物理博士。
窄禁带半导体是红外探测的根基,而碲镉汞是应用最广的窄禁带半导体材料。测量碲镉汞红外本征光吸收光谱,正是导师交给褚君浩的第一个重要任务。
任务之难,超出褚君浩的想象。毫米级厚的样品需手工打磨到一根头发丝的几十分之一。历时3年,他终于找到国际学界一直未能捕捉的光谱“拐点”,提出了碲镉汞禁带宽度关系式,被国际学术界称为CXT公式——以褚君浩、徐世秋、汤定元三位中国科学家的姓氏命名。至今,这一公式和吸收系数公式仍是国际上判断红外探测器新材料、新结构的通用公式,被美国伊利诺伊大学编入软件包,被美国空军实验室等30多个国外机构作为碲镉汞材料器件研究的依据。
褚君浩先后发现的19项物理规律,被写入有140多年历史、每隔10余年修订一次的国际权威科学手册《LB科学技术数据和函数关系》,成为窄禁带半导体研究的“金标准”。
他的专著《窄禁带半导体物理学》(中英文),被26个国家和地区的189家机构所引用。美国斯坦福大学在筹划出版该书时,认为中国在这一领域的工作走在了前面,而褚君浩是写这本书“最好的人选”。
物理学几乎每几年就出现一个热点,但褚君浩一直坚持把碲镉汞作为研究方向。这种执着,源于对国家重大需求的清醒认知——“碲镉汞是目前唯一能同时实现宽波段覆盖和超高性能的红外探测材料,不可或缺,不可替代。”
【推开更多的“门”】
从“窄禁带”入口往纵深方向走,褚君浩推开了一扇又一扇“门”。
第一扇“门”,是科学贡献本身的延展。
传统碲镉汞探测器需要在零下近200℃的低温工作,就像一个必须住在冰窖里的精密仪器。褚君浩率先提出常温红外薄膜探测研究方向,获得20余种薄膜材料体系的基本科学数据和规律。他带领团队提出的动态电阻测量方法,显著提升了航天地平仪的在轨使用寿命。褚君浩团队研制的常温线性响应红外探测器,为气候变化研究提供了关键数据。
不止步于已有成就,褚君浩和他的团队还提出了电磁诱导势阱效应,被国际学术界誉为开创性光电效应,为下一代光电探测器奠定了技术基础。依据这一新原理研制的器件,在远红外/太赫兹波段实现了显著超越传统器件的灵敏度。
从摸清规律到应用落地,再到开辟全新方向——他用半个世纪完成了一次完整的科学跃迁。
“褚院士对于重大科学问题有着敏锐眼光。”中国科学院院士、复旦大学原校长许宁生说。2011年国家自然科学基金委启动了“面向能源的光电转换材料”重大研究计划,许宁生是专家团队成员之一。“立项时遇到的最大问题是,科学问题究竟应该集中在哪里?当时褚院士提出,核心难题是光电转换效率,这一判断引领了整个项目。如今回头看,这一研究布局极具前瞻性,对于我国的光伏产业影响深远。”
第二扇“门”,是面向公众的科普抵达。
2023年B站“超级科学晚”现场,褚君浩站在柱镜光栅后,下半身瞬间“消失”,全场惊呼。“隐身术不是魔术,而是科学。”他笑着解释。该科普视频迅速“破圈”成为爆款。
从省委党校到幼儿园,褚君浩参与和组织的科普活动近6000场次。最令他自豪的是,一次给幼儿园小朋友做科普,讲完问他们长大要做什么,大家异口同声——“要做科学家”。
从小受益于科普杂志的褚君浩认为,科普本身就是科研工作的一部分。2013年,他获得上海首届科普教育创新奖的“科普杰出人物奖”。
除了倾心科普,褚君浩还将科研智慧融入参政议政。担任全国人大代表、上海市政府参事期间,他先后提出再生能源产业发展、低碳经济发展等多项建议和议案,促成相关法案的修订与完善。
【心有旷野】
在科学道路上,褚君浩一直志存高远。
早在念中学时,15岁的他就感慨物理教材中的定律都以外国科学家命名,于是在阅读笔记中写下这句话:“我们要争这口气,让定律的队伍里,有中国人的发现。”
高考时,他将物理作为唯一的专业选择。尽管物理满分,但由于语文发挥失常,进入第三志愿的上海师范学院物理系。但他很快释然:“这就像听交响乐,只是坐在前排后排的区别,交响乐还是交响乐,物理学还是物理学。”
上大学时他有过一个笔名——坦牛,因为他想成为像爱因斯坦和牛顿那样伟大的物理学家。大学毕业正值“文革”,褚君浩成为梅陇中学一名物理老师。这十年间,他与同道中人组建“基本粒子谜小组”,一到周末就聚在一起讨论科学。理想没有退场,只是换了一种方式在场。
硕士毕业后,褚君浩原本有机会到美国攻读博士,但需改变专业方向。当时,美国的大学每年补贴2万多美元,而国内每月仅补贴80多元人民币。放不下红外探测的褚君浩,在汤定元先生建议下选择了继续在国内攻读博士学位。上世纪80年代,褚君浩前往德国慕尼黑技术大学从事客座研究。刚到异乡,他就解决了困扰同行多时的远红外激光器无法稳定工作的难题。两年后德方力邀他留下,但他如期回到了上海技术物理研究所,因为他想在中国做自己喜欢的研究。
在他看来,最理想的科研状态是:一篇论文刚发表,一篇在审稿,一篇在撰写,一个实验在做,一个新想法在酝酿,还有一个成果被转化应用。
去年80岁生日那天,褚君浩说:“我不敢躺平,因为在我身边95岁的匡定波院士至今每周三次去所里工作,我更加不敢懈怠,只觉得时间过得快,事情来不及做。”
耄耋之年的他依然每天都到所里工作,“跟学生相处最开心,感觉自己变年轻了。”他还在思考多尺度红外预警,惦记着那些尚未解决的重要科学问题。
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