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        中國科學院院士褚君浩:破解世界級難題,推動我國紅外傳感技術發展!

        發布時間:2023-11-09 責任編輯:wenwei

        【導讀】63年前,上海徐匯中學一名16歲高中生在筆記本上寫下感慨,為沒有一條以中國人命名的定律而遺憾,并決心奮發讀書、為國爭光。


        若干年后,這個少年成了那個寫定律的人。


        在紅外物理領域,他在上世紀80年代提出的CXT公式和吸收系數公式成為碲鎘汞材料器件設計的重要依據,至今仍是國際上判斷紅外探測器新材料、新結構的通用公式。


        他就是紅外物理學家、半導體物理和器件專家、中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員褚君浩。CXT公式和吸收系數公式正是以褚君浩(C)、徐世秋(X)、湯定元(T)這三位中國科學家的名字命名的。


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        圖說:褚君浩始終保持著對學習和閱讀的熱愛 本報記者 陶磊 攝


        科研路


        1 成功挑戰“不可能的任務”


        如今,只要沒有外出安排,每天9時左右,褚君浩總會出現在上海市技物所光電大樓4樓的辦公室里。


        這是間再普通不過的辦公室——右側是會客用的沙發,左側的一整排沿墻書架被塞得滿滿當當,后來者就只能被堆放在地上。


        屋子的“鎮宅之寶”,就和其他書籍、文件、紀念品一起,挨挨擠擠站在書架上?!斑?,就是這幾本書?!敝钢鴰妆旧钏{色的原版書,褚君浩笑道。


        那是全球紅外物理領域科研人員的必讀書目——其中一本是褚君浩所著的《窄禁帶半導體物理學》,作為國際上全面綜述窄禁帶半導體有關研究成果的第一本專著,被幾十個國家的研究機構作為開展相關材料和器件研究的理論依據;另一本,則是國際權威的科學手冊《Landolt-Bornstein》,這本擁有120余年歷史的科學手冊,涵蓋了人類科學和技術各領域的基本數據和函數關系,每隔10—15年邀請各領域最有影響力的科學家集中修訂,手冊含汞化合物部分,就是由褚君浩來編寫的。


        科學史上,紅外光的發現多少帶著偶然的成分——19世紀初,英國科學家赫胥爾設計了一個實驗裝置,將太陽光分解成彩色光帶,然后在不同顏色光帶中放置溫度計,以測量光帶中不同色光所包含的能量,再和室內其他位置的溫度計進行比較。赫胥爾意外發現,放在光帶紅光外的溫度計,比室內其他溫度計的指示值都要高。經過反復實驗,他證實了太陽發出的光線中除了可見光外,還有一種看不見的“熱線”,由于位于紅色光外側,因而被稱之為“紅外光”。


        褚君浩和紅外光的相遇,也是偶然。由于高考語文作文偏題,他和第一志愿復旦大學失之交臂,被上海師范大學錄取。然而,這并未影響他從小對物理的喜愛。1978年,我國恢復研究生考試。中國科學院院士嚴東生很欣賞機敏好學的褚君浩,便推薦他參加中國科學院上海技術物理所的研究生錄取考試。


        當時,在上海技物所,中國半導體科學和紅外技術開拓者之一、著名紅外物理學家湯定元已經敏銳地看到,碲鎘汞是制備第三代紅外光子探測器最重要的材料,也是開展太空探測的基礎。


        因此,他選擇以窄禁帶半導體碲鎘汞作為主攻方向,親自組建團隊開展窄禁帶半導體物理基礎研究。然而,從本科到畢業后在普陀區梅隴中學當老師,褚君浩始終偏好的是理論物理,這一切,對于當時還是紅外物理的“門外漢”褚君浩來說是全新的。求學心切的他想到復旦大學研究生錄取考試還要晚半年才舉行,便決定去試試。憑借本科學習打下的堅實基礎,他自學了黃昆和謝希德的《半導體物理學》,以90分的高分通過了考試,師從湯定元先生,踏上了紅外物理科研之路。


        湯定元給褚君浩布置的是一項“看似不可能”的任務——測量出碲鎘汞紅外本征光吸收光譜。這在當時是一個世界級難題,尚無人攻克。要做出碲鎘汞紅外本征光吸收光譜,首先就需要制備出大量碲鎘汞薄樣品,來解決如何測量高吸收系數的問題。然而這種樣品價格昂貴,指甲蓋大小就需要上千美元。令褚君浩感動的是,研究所其他小組在生長這種材料,他們毫無保留地貢獻出自己的資源出來,集合一切力量,幫助褚君浩開展從“0”到“1”的突破。


        “當時那些樣品袋我都保存著?!敝噶酥笗?,褚君浩說。雖然紙袋早已空空蕩蕩,但卻盛滿了科研人攜手合作的情誼。


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        圖說:褚君浩在技術創新論壇上作報告  采訪對象供圖


        2 帶著學生一起向前跑


        宇宙蒼穹,紅外光雖然無法用肉眼看見,但時時刻刻幫助人們洞察世界的真相。照向國之重器,也直抵民生所需。有了它的助力,“玉兔號”月球車和“祝融號”火星車得以睜開“眼睛”,探測星球表面的物質成分;風云衛星能夠實時采集數據,為大氣做“CT”,追蹤臺風飄忽不定的軌跡;救援人員能探測山林大火之后哪里還有生命留存……


        為了“看見”這道光,更為了讓這道光為國為民所用,褚君浩已經奮斗了半個多世紀。他坦言,上世紀80年代初曾有機會赴美攻讀博士,且一年的津貼是留在國內的20倍。不過,要轉攻其他領域。聽取了湯定元先生建議,褚君浩選擇了留在技物所。


        “紅外技術是買不到的。經過幾十年自立自強研究發展。從上世紀90年代開始,我們已經不再受技術‘卡脖子’的影響,構建了從基礎研究、應用研究到工程應用的獨立體系?!瘪揖谱婕K宜興,從小生活在上海,言談中帶著軟糯的南方口音,但是,講到紅外技術的發展前景,他的語氣鏗鏘有力?!拔覀円呀浤軌蛑苽涑龊芎玫恼麕О雽w材料,在不同的波段都有很好的性能,并且把這些材料、器件應用于空天科技、風云衛星、火星探測、月球探測等各個領域?!瘪揖拼蛄藗€形象的比方,“我們已經從跟跑到并排跑,到現在開始部分領跑?!?/p>


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        圖說:褚君浩在辦公室內工作  采訪對象供圖


        而在后輩學生們眼中,褚君浩就是那個定方向的人,跟著他走,總會有收獲。因為他總會寬容地說,“如果能證明這個材料不能做,也是一種成果”。


        如今也已經成為一名博導的黃志明研究員是70后,他申請的國家發明專利“單色儀分光紅外橢圓偏振光譜儀”曾獲第五屆中國國際發明展覽會金獎。很少有人知道,這個課題在開展半年時,差一點因為計算遇到瓶頸而夭折?!榜以菏繉ξ艺f,你回去考慮三天,三天后如果還覺得要放棄,那就放棄?!秉S志明說,經過褚院士的點撥和鼓勵,課題出現了轉機。最終這套紅外橢圓偏振光譜儀成為科研人員的手中利器,幫助團隊完成了一系列新材料光學常數的測定,也堅定了年輕科研人員在紅外物理研究這條路上的決心。


        “做,要做到極致?!边@是褚君浩對自己和團隊的要求。


        成長路

        愛科學的 心是這樣煉成的

        不做書呆子 養成學習好習慣


        如今,在華東師大檔案館中,擺放著一張大書桌。這是褚君浩院士一家的回憶。


        書桌的抽屜里,藏著童年的蟋蟀罐,藏著1956年“上海市中小學生及自學小組學生體育運動會”跑步比賽第二名的獎牌,藏著不夠完美的成績單,也藏著一個“小調皮”對世界蓬勃的好奇心。


        小學時,褚君浩遠算不上“學霸”。體育和自然拿了5分(滿分),其余科目中,閱讀4分、作文4分、寫字3分、算術4分,和標準意義上的優等生相距甚遠。在他的世界,游戲和運動是絕對主角,放學后的時光屬于在麗娃河游泳、登上第五宿舍尖頂講故事、和伙伴們一起爬樹。


        “好動手、好動腦、會玩、會運動,廣交朋友,不是一個呆子?!比舾赡旰?,華東師大附小老校長陳先墀老先生點評了這位當年的學生。陳老先生寫道,褚君浩的成功,是因為保持了“純潔的童心、為大眾的初心、科普的熱心、對事業的愛心、努力工作的決心”?!拔矣袀€很好的習慣,就是上課注意力非常集中,只看黑板、老師和書三個地方,這樣放學后就能很快完成功課?!瘪揖谱晕铱偨Y。


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        圖說:褚君浩  采訪對象供圖


        讀書勤思考 寫下3萬字札記


        如今的中學生很忙,忙著做題,忙著補習,以至于忙到沒有時間看書。


        而中學生時期的褚君浩卻寫了一份總字數超過3萬字的閱讀札記。不少段落旁還有他的鋼筆手繪圖。那是他在徐匯中學讀書時,利用課余時間留下的?!拔覀円獱幦≡谧疃痰臅r間內,達到在定律的隊伍中有我們偉大的中國所發現的(定律)?!蹦晟贂r的誓言,就寫在這個本子里。


        字里行間,躍動少年蓬勃的求知欲。從月亮的圓缺、宇宙的起源到電子何以會圍繞核作不停的運動,從“無窮點的比較問題或無窮數的比較”到“乒乓球中的削球原理之聯想”“人造衛星和天體物理學的將來”,物理、數學、天文等方面的種種問題,都引發了他無窮的探究和推演。


        圖書館成了褚君浩最愛去的地方,泛黃的筆記本上,留下科學少年長長的閱讀書單。一本巴掌大的特殊“影集”記錄了當年愛書人特別的借閱方式——用微縮相機將原版圖書一張張拍下,再影印裝訂起來。在讀完笛卡爾的《哲學原理》后,褚君浩寫道,“我們要以懷疑一切的眼光來對待一切科學結果,尤其是那些所謂不言而喻的結論。要對于感官所見的對象,完全正確地運用自己的理性而再形成判斷,方能擺脫因外來影響而產生的謬誤?!?/p>


        讀大學時,褚君浩給自己起了個筆名,叫“坦?!?。他對人說,這個名字意味著“在平坦的大道上,像牛一樣勤奮地工作”。其實他真實的想法是,要當一名像“愛因斯坦”和“牛頓”那樣的科學家。


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        圖說:褚君浩在研究生期間進行碲鎘汞吸收光譜研究  采訪對象供圖


        找到好伙伴 父母言傳又身教


        大學畢業后,褚君浩到梅隴中學當了一名物理老師。他找到了一群志同道合的伙伴,組建了民間“基本粒子討論班”,討論科學問題,撰寫科普文章,并請來復旦大學物理系殷鵬程教授當指導教師。在這群年輕人中,朱偉成長為華東師范大學教授,陳良范、馮承天、陸繼宗成長為上海師范大學教授,張民生則擔任了上海市教委副主任一職?!懊恐芪覀兙屯低稻墼谝粋€同學家里,或者在誰的辦公室里,由一個人負責作一個報告,然后大家討論?!痹隈揖菩睦?,那段日子雖然“偷偷摸摸”,但激情澎湃。


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        圖說:褚君浩在梅隴中學教書時指導學生做課外科技活動  采訪對象供圖


        同時,父母的言傳身教對他影響深遠。褚君浩的父親褚紹唐先生是中國著名地理教育家、歷史地理學家,是中國第一位地理教育學碩士生導師。兒時,父親經常帶他去虹口公園看星星、看月亮,給他講天文學知識。在父親的影響下,褚君浩喜歡自己動手做一些小發明。五年級時,他將兩塊透鏡和一片硬紙板組合在一起,自制成簡易的望遠鏡,這是他第一次通過自己的雙手觀測浩瀚的星空。母親的叮嚀,則如同一根“風箏線”般,將他個人的事業和祖國的科技發展緊密相連。在褚君浩受邀到德國從事研究期間,母親在越洋電話和信件中念叨最多的一句話,“世界上最好的地方是中國?!?/p>


        院士問答


        思維和創新是科研的靈魂


        作為一名熱心科普的科學家,面對不同的受眾,褚君浩總有辦法用深入淺出的語言,描述紅外光的神奇。他為不同聽眾群體量身制定科普報告:面對中小學生,他喜歡講科學家的小故事,激發他們探索科學的興趣;面對社會大眾,他聊科學常識,也聊“物聯網”等最新科技動態,解讀公眾對科學問題、社會現象的疑問;面對公務員、產業界人士以及各行業領軍人士,他講高科技發展趨勢,從光電信息獲取聯系到智慧城市建設,從光電能量轉換聯系到可再生能源和低碳城市。


        因此,他對年輕科研人員,對中小學生都有自己的建議——


        問:您最看重青年科研工作者身上哪些特質?


        答:思維和創新是靈魂。我經常問學生,“你有什么新的東西加進去?”“你為這個課題做了什么貢獻?”是否善于思考、是否有創新能力、是否能提出問題、是否有新的點子,這些決定他的未來發展空間有多大。我現在也在不斷學習新的東西,保持思維的活躍度。比如ChatGPT很熱門,我也去研究了一下,請它寫首描寫天氣炎熱的詩,問它“褚君浩是怎樣的人”等問題,看它怎么回答,來分析它的生成內容的特點和優缺點。


        科研工作還必須勤奮??茖W研究往往需要花時間才能看到成果,在這個過程中,目標一定要明確。


        問:作為上海市青少年科學研究院院長,您認為該如何保護孩子們對世界的好奇心,激發他們探索世界的欲望?


        答:童年時間保持對萬物的好奇心至關重要。如今,孩子們的學業壓力大,給他們“留白”的空間又很少。老師不應該把知識點下放,不要把高年級的內容提前灌輸給低年級的學生。好的學習方法是做了十道題,把知識點掌握得很牢固,可以靈活運用;笨的學習方法是做一百道題,但不會變通。孩子們應該出于興趣,自由探索其他知識,而不是被禁錮在以應試為導向的題海中。


        問:業余時間,您有些什么愛好?


        答:欣賞音樂。我最喜歡的英文歌是“You raise me up”,中文歌是《我和我的祖國》。它們的歌詞有著深刻的內涵,每一段都圍繞著主旋律重復,但每一次重復又有著變化。這很像我們做科研工作的過程。最近,我也在試著寫一個曲子,反映科學家如何克服困難,不斷取得突破。


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        圖說:1988年,褚君浩從德國回來后,在實驗室努力工作  采訪對象供圖


        褚君浩簡歷


        1945年3月  出生在江蘇宜興

        1966年  畢業于上海師范學院(現上海師范大學)物理系,被分到上海市梅隴中學當物理老師

        1978年  考上中國科學院上海技術物理研究所研究生,先后獲得碩士學位和博士學位

        1984年12月起,擔任中國科學院上海技術物理研究所物理室副主任

        1993年 7月起,擔任中國科學院紅外物理國家重點實驗室主任

        2005年   正式當選中國科學院院士

        ●  曾獲全國首屆創新爭先獎章、第十四屆上海市大眾科學傳播杰出人物、首屆上海統一戰線崗位建功十大楷模、上海市科普創新杰出人物獎、2017年度“感動上海人物”等多項榮譽,并被多家媒體譽為“心系科普的院士”。

        ●  發表學術論文800余篇,專利100余項,出版專著6部,先后獲得國家自然科學獎3次、省部級科學技術獎12項。


        來源:新民晚報



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