祝傳海

縱觀古今，人類文明的發(fā)展史往往可以看作是一部材料的發(fā)展史，人類文明的不同歷史階段也是以材料和工具作為標(biāo)志，譬如石器時代、青銅器時代、鐵器時代等。對材料的認(rèn)知和利用能力決定著文明的形態(tài)和人類社會生活的質(zhì)量，所以人類從未中斷過對更好的材料和與之相適應(yīng)的先進(jìn)工具的追求。20世紀(jì)半導(dǎo)體材料及器件的興起，不僅促進(jìn)了新材料的制造和科技的發(fā)展，更是極大地推動了社會文明的進(jìn)程，并變革性地改變了人類的生活。新世紀(jì)的發(fā)端，人類共同見證了以智能手機為代表的移動互聯(lián)時代的來臨，可穿戴性器件、人工智能、新能源材料和技術(shù)以及量子科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展，處處可見半導(dǎo)體材料及技術(shù)的身影。在亞-10納米的后摩爾時代，國家亟待解決“卡脖子”技術(shù)，納米材料和納米科技必將持續(xù)對社會生活產(chǎn)生重大的影響，而這輪技術(shù)革新所帶來的沖擊將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越20世紀(jì)的電子革命。

“在凝聚態(tài)物理中有一條基本準(zhǔn)則，那就是原子堆垛的方式（或者說晶體結(jié)構(gòu)）決定了材料的性質(zhì)。當(dāng)從宏觀世界進(jìn)入到微觀世界時，常常會發(fā)生一些有趣的現(xiàn)象。比如有些材料在塊材時不發(fā)光，如作為潤滑劑為人所熟知的二硫化鉬，但當(dāng)我們解理出其單原子層時，它卻能發(fā)出紅光。有些熟知的半導(dǎo)體材料，將其制成納米尺寸時，比如大家常聽說的膠體量子點，它可以發(fā)出波長更短的光，其發(fā)光波長隨著量子點尺寸變小而藍(lán)移。這些都是量子效應(yīng)在光學(xué)性質(zhì)方面的宏觀體現(xiàn)?！辈稍L中，清華大學(xué)物理系教授熊啟華生動而平實地解釋道。

多年以來，熊啟華一直致力于凝聚態(tài)材料光譜學(xué)以及低維納米材料基于光子-聲子-電子耦合作用的物理機制和量子調(diào)控方面的研究。為了探求物理科學(xué)的真諦，在他風(fēng)華正茂的青春里，奮斗拼搏就成為一抹最亮麗的色彩。武漢大學(xué)、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)等國內(nèi)外知名高校，曾留下他攀登科研高峰的足跡；新加坡南洋理工大學(xué)曾見證了他的成長。20余年來，他多年的所學(xué)歷經(jīng)實踐的考驗，打磨出珍珠般的光彩；如今他回歸祖國，加入清華大學(xué)物理系，將依托這一優(yōu)質(zhì)平臺，在凝聚態(tài)光譜學(xué)等領(lǐng)域繼續(xù)前行，為中國的半導(dǎo)體光學(xué)等的發(fā)展注入新的活力。

科研需要有定力，不能跟風(fēng)

“眼光，看準(zhǔn)了什么東西，就要抓住不放；堅持，看對了就要堅持；力量，有了力量能夠闖過關(guān)，遇到困難你要闖下去?！敝碚撐锢韺W(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者楊振寧曾將以上三點視作物理研究工作成功的要素。而熊啟華能夠在凝聚態(tài)光譜學(xué)和光子學(xué)等研究領(lǐng)域取得令人矚目的成績，也離不開這三個要素，離不開這20多年的不懈努力與堅守?！翱茖W(xué)研究需要有品位和定力，不能僅僅跟風(fēng)去做時下熱門的東西，而應(yīng)對自己興趣所在的領(lǐng)域做深入研究和積累。”熊啟華坦言道。

本科時期，熊啟華就讀的武漢大學(xué)物理系，是我國最有影響力的物理院系之一。老一輩著名物理學(xué)家查謙、桂質(zhì)廷、張承修、李國鼎、周如松等都曾在此執(zhí)教。在厚重的人文底蘊和優(yōu)良的學(xué)術(shù)氛圍熏陶下，熊啟華對物理研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。1997年畢業(yè)時，熊啟華憑借優(yōu)異的成績被保送到了中國科學(xué)院上海原子核研究所（現(xiàn)名“中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所”），師從李民乾教授。李教授是核分析技術(shù)方面的專家，在國內(nèi)較早開展了掃描隧道顯微術(shù)用在DNA及生物大分子的成像及操縱方面的應(yīng)用研究。熊啟華的碩士研究課題是DNA單分子操縱和DNA芯片的成像測量。隨著在單分子研究方面的深入研究，以及對當(dāng)時納米科技各個方向的激動人心的進(jìn)展的關(guān)注，熊啟華也明晰了自己未來的研究方向，下定了決心繼續(xù)沿著納米科技的前沿追尋。

2000年碩士畢業(yè)后，心懷夢想的熊啟華遠(yuǎn)渡重洋，前往美國賓夕法尼亞州立大學(xué)，追隨著名教授Peter C. Eklund攻讀博士學(xué)位。Eklund教授是碳納米材料及拉曼光譜學(xué)方面國際知名專家。“在博士期間，我主要的研究方向是用先進(jìn)光譜學(xué)技術(shù)研究低維半導(dǎo)體納米線的新奇物性，尤其是低維納米體系的聲子（也就是晶格振動的量子）及其與光場的耦合作用。”采訪中熊啟華回憶說。隨著研究的逐步深入，熊啟華越發(fā)覺得該領(lǐng)域發(fā)展日新月異，要跟上國際同行的步伐，唯有只爭朝夕。為了能在這一領(lǐng)域做出更多突破性的科研創(chuàng)新成果，他忙碌的身影常常出現(xiàn)在深夜的實驗室里。他回憶道：“我還記得一個實驗用到鄰居實驗室的原子力顯微鏡，這臺設(shè)備由一名臺灣省來的同學(xué)負(fù)責(zé)。他對來自祖國大陸的學(xué)生非常有偏見，我就錯開他白天工作的時間晚上熬通宵，沒有了環(huán)境振動和噪聲，效果挺好?！薄俺肆孔酉拗菩?yīng)，維度的限制也使得低維納米體系表現(xiàn)出一些新奇的物理效應(yīng)，比如大家所熟知的二維材料石墨烯，這種維度的改變會引發(fā)一些界面上的獨特性質(zhì)，改變我們所關(guān)注的電子、聲子、光子以及它們的耦合態(tài)在表面的一些輸運和傳播特性，我們可以深入研究機理，同時利用新的機理做一些具備獨特功能性的器件?！?/p>

據(jù)了解，人們常說的低維納米材料通常是指三個維度中至少有一個被限制在1～100納米之間的材料體系。當(dāng)今低維納米材料的可控制備及其在器件中的應(yīng)用研究已是國際上重要的熱點之一，其核心問題是如何理解和控制低維功能納米材料的結(jié)構(gòu)、物性以及發(fā)展功能性的器件應(yīng)用。

學(xué)海無涯，吾將上下而求索。博士畢業(yè)后，熊啟華又前往哈佛大學(xué)從事了3年的博士后研究工作，師從享譽全球的納米科學(xué)領(lǐng)軍人物——Charles Lieber教授。名師出高徒，在美國求學(xué)與工作的幾年中，兩位恩師的學(xué)者風(fēng)范在潛移默化中深深地影響了熊啟華，讓他領(lǐng)悟到科研和教學(xué)的真諦。導(dǎo)師們也成為日后他從事教學(xué)科研工作的榜樣?！爱?dāng)年導(dǎo)師們對我的教導(dǎo)和支持讓我獲益匪淺，如今我也努力將這種科學(xué)的精神發(fā)揚傳承?！毙軉⑷A滿懷感激地回憶道。

科學(xué)家是有祖國的，但科學(xué)是無國界的

正如彼得·梅達(dá)瓦所說的那樣：“科學(xué)是可以解答的藝術(shù)。科學(xué)的前沿是介于可解與難解、已知與未知之間的全新疆域。致力于這個領(lǐng)域的科學(xué)家們竭盡全力將可解的邊界朝難解方向推進(jìn)，盡其所能揭示未知領(lǐng)域?！?/p>

順利完成博士后的研究工作后，熊啟華迫切地希望能在納米科技這一前沿領(lǐng)域有所作為?！爱?dāng)時在國內(nèi)、美國也面試了不少單位，其中2009年初，我入圍了新加坡國立研究基金（National Research Foundation, NRF）NRF Fellowship的最終答辯名單，并成功獲選成為當(dāng)年度的最終十人入圍者之一，每人獲得200萬美元的啟動資金，可以在新加坡國立大學(xué)和南洋理工大學(xué)中間選一所建立研究組。這對一個剛剛起步的研究組來說非常具有吸引力。而且新加坡的人文環(huán)境、科研氛圍、生活條件等都挺不錯的，所以我最終選擇了南洋理工大學(xué)并在那里工作了12年?！毙軉⑷A感慨道。

在南洋理工大學(xué)工作的那些年，作為一名年輕的獨立PI，熊啟華需要在做好本科教學(xué)的前提下，建設(shè)實驗室、申請研究經(jīng)費并招募和培養(yǎng)研究生。時間總是不夠用，他常常夜以繼日地投入工作?！拔覀冊S多光譜學(xué)實驗需要用液氦，一旦做起來就沒有白天黑夜，常常需要和學(xué)生一起24小時運行。基本上晚飯后我還是要回到實驗室，和學(xué)生一同做實驗或者討論，半夜回家都是經(jīng)常的事。”

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。多年來一直默默耕耘的熊啟華迎來了收獲的喜悅，在新加坡工作12年間，他以項目負(fù)責(zé)人的身份共獲得超過3000萬新幣的研究經(jīng)費。他在微納光子學(xué)、激光制冷，以及二維半導(dǎo)體材料光學(xué)性質(zhì)等一系列前沿課題中做出了一系列有影響力的工作，陸續(xù)在《自然》及子刊等一系列國際知名雜志上發(fā)表250多篇文章，其中包括4篇《自然》和16篇子刊論文，并被世界知名雜志及大眾媒體所報道。他在谷歌學(xué)術(shù)半導(dǎo)體光學(xué)領(lǐng)域排名世界第一，獲評科睿唯安全球交叉科學(xué)領(lǐng)域高被引科學(xué)家。而其出色的研究也贏得了學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，分別于2015年獲新加坡物理學(xué)會納米科技獎，2014年獲新加坡國立研究基金NRF Investigatorship獎和南洋理工大學(xué)南洋研究卓越獎等。2018年他被遴選為美國物理學(xué)會會士，2019年獲選亞太材料科學(xué)院院士。最近，他被遴選為2021年度美國光學(xué)會會士。

此外，熊啟華還在國際上有影響力的大會及期刊擔(dān)任了重要職務(wù)，譬如，2018年國際首屆激子和極化激元大會的發(fā)起人和大會主席，2017年第三屆二維材料國際會議大會共同主席。多次擔(dān)任美國、新加坡、韓國、波蘭、愛爾蘭等國家基金評審人、中國國家自然科學(xué)獎、陳嘉庚科學(xué)基金會和求是基金會評委。應(yīng)邀擔(dān)任納米科技領(lǐng)域頂尖雜志《納米快報》的副主編及多家國際知名雜志的國際編委。曾擔(dān)任美國光學(xué)學(xué)會旗艦雜志Optics Express副主編（2018—2020年）。

在教書育人方面，熊啟華也有自己獨到的見解，他將自己在學(xué)業(yè)上的心得毫無保留地傳授給學(xué)生。他尤其注重培養(yǎng)學(xué)生們的獨立性和批判性思維，希望他們成長為獨立思考的研究者，“不能把研究生當(dāng)作技術(shù)工人來用，一定要訓(xùn)練他們的批判性思維，呵護(hù)和培養(yǎng)他們的好奇心，鼓勵他們在研究中善于發(fā)現(xiàn)并提出科學(xué)問題”。同時他也常鼓勵學(xué)生們一定要走出去、多交流?！皬目茖W(xué)的本質(zhì)來說的話，科學(xué)家是有國界的，但科學(xué)是無國界的。你需要知道別人在做什么，你要從別人身上學(xué)習(xí)。”截至目前，熊啟華已培養(yǎng)了18位博士、50多位博士后，9名博士獲得國家優(yōu)秀自費留學(xué)生獎學(xué)金。其中大部分學(xué)生學(xué)業(yè)結(jié)束后已在高等學(xué)?；蛘哐芯克温?，比如在北京大學(xué)、南京大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、中南大學(xué)、電子科技大學(xué)、西北大學(xué)、西南大學(xué)、華僑大學(xué)、深圳大學(xué)等高校和中國科學(xué)院研究所從事相關(guān)研究工作，成為我國相關(guān)研究領(lǐng)域的生力軍。在美國、英國及印度知名高校也有他的學(xué)生獲得教職。

憑借出色的科研和教學(xué)成果，熊啟華在10余年歷練中也已完成了蛻變，2014年獲聘終身教職副教授，僅僅兩年后，晉升為正教授，并擔(dān)任了5年南洋理工大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院的副院長，主管科研和研究生教育及教職事務(wù)。但在他心中始終放不下的是對祖國的眷戀和家人的牽掛。“回國繼續(xù)研究事業(yè)是我一直的夢想，而且父母的年紀(jì)也大了，只要是有機會我還是想回國發(fā)展?！?/p>

研究團(tuán)隊合影

科學(xué)家最重要的品質(zhì)就是保持對科研的好奇心

在一次偶然的機會中，熊啟華得知清華大學(xué)急需凝聚態(tài)光譜學(xué)方面的科研人才，便積極申請。“我覺得無論是從培養(yǎng)學(xué)生的角度，還是從今后科研事業(yè)發(fā)展的角度，國內(nèi)都具有更多的機會和更廣闊的平臺。我希望能夠利用超快光譜學(xué)的手段，繼續(xù)探測新型的凝聚態(tài)體系和半導(dǎo)體系材料的性質(zhì)，并發(fā)展功能性器件技術(shù)。”就這樣，熊啟華順利加入了清華大學(xué)物理系，開啟了科研路上新的征程。

科學(xué)家最重要的品質(zhì)就是保持對科研的好奇心和激情，這是熊啟華多年來一直秉持的科研理念。如今，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的電子和光電子器件的發(fā)展已日漸趨于各種物理極限，未來迫切需要新材料、新原理來開發(fā)具有更高性能、更低功耗，更快響應(yīng)的新一代半導(dǎo)體器件，比如具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的金屬鹵化物半導(dǎo)體材料。2009年，鈣鈦礦首次作為可見光增敏劑應(yīng)用于太陽能電池，為進(jìn)入瓶頸期的現(xiàn)有太陽能電池技術(shù)注入了新鮮血液，并在短短幾年內(nèi)徹底改變了第3代太陽能電池的格局，使光電轉(zhuǎn)化效率從3.1%迅速攀升至目前的25%左右。從效率本身而言，已超過商業(yè)化的單晶硅太陽能電池的性能。同時基于鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的發(fā)光二極管（LED）等光子學(xué)和光電子學(xué)器件的制備和開發(fā)也取得重大突破，LED的效率突破了20%以上?？梢哉f鈣鈦礦半導(dǎo)體材料已成長為目前世界科技前沿尤其是半導(dǎo)體光子學(xué)和光電子學(xué)器件的熱點和新興領(lǐng)域。

然而該領(lǐng)域也面臨著一系列的挑戰(zhàn)，例如其離子型的晶體構(gòu)成使得各類器件都存在光-熱-濕度等穩(wěn)定性難題；人們對其卓越器件性能的微觀物理機制的理解尚有很大的不足，這就成為進(jìn)一步發(fā)展變革性和顛覆性技術(shù)的瓶頸。

為破解這些難題，熊啟華及其項目組已于2021年1月開展了“金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體中激子及激子極化激元的超快動力學(xué)和量子調(diào)控”的研究，該項目已獲得國家自然科學(xué)基金重點國際合作項目的資助。據(jù)了解，該項目中他們將研究兩類新型鈣鈦礦半導(dǎo)體材料中光與物質(zhì)強耦合相互作用產(chǎn)生的激子和激子極化激元的超快動力學(xué)等問題，擬采用多維度的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光譜學(xué)方法，并結(jié)合理論計算，深入探索和理解二維和全無機鈣鈦礦中激子的新奇光學(xué)特性和超快動力學(xué)過程，重點研究激子極化激元的波色-愛因斯坦（BEC）凝聚體和激射等宏觀量子光學(xué)行為，為進(jìn)一步研究基于室溫激子極化激元BEC凝聚體的人工晶格和量子光學(xué)器件奠定堅實基礎(chǔ)，以實現(xiàn)對該領(lǐng)域前沿的繼續(xù)把握和引領(lǐng)。

篳路藍(lán)縷，雖然剛開始的研究經(jīng)費有限，同時也需要面對如何新建實驗室和學(xué)生訓(xùn)練缺乏等諸多困難，但熊啟華早已做好了思想準(zhǔn)備，他有信心去迎接這些挑戰(zhàn)。據(jù)了解，目前其光譜學(xué)實驗室和一系列大型設(shè)備如飛秒激光器、光譜儀、光學(xué)低溫冷臺及樣品制備等設(shè)備已陸續(xù)到位，熊啟華將和團(tuán)隊成員們一同拼搏，在這一前沿領(lǐng)域再創(chuàng)輝煌。