基础打好，水到渠成

闵乃本(左二)、朱永元(左一)与青年教师徐平、赵刚讨论了实验结果。

激光束穿过一种叫做介电超晶格的晶体，可以产生不同颜色的激光，还可以产生神奇的纠缠光子。这种微结构晶体最初由中国科学家发明，现已广泛应用于激光和量子信息技术。

来自南京大学的闵乃本研究团队也获得了2006年国家自然科学奖一等奖。

从组织研究团队到获奖，他们经历了整整19年。闵乃本曾直言:“这一成就是凝聚态物理、材料科学、光学工程和固体激光技术交叉综合的结果。”

获奖后，南京大学对介电超晶格的研究并没有停止。超晶格和微结构材料也逐渐成为国际学术界和工业界的焦点。

开始:探索有价值的科学问题

激光的发展依赖于材料。20世纪70年代，南京大学物理系的冯端、和闵乃本教授将他们的研究重点放在了功能晶体和非线性光学晶体上。

为了研究这些新晶体，他们从头开始建造了一个晶体生长炉。铌酸锂晶体成为闵乃本“从最好中选择最好”的最终晶体。然而，在他们的生长过程中，他们发现与生长条纹相关的微观结构经常出现，其大小在微米量级，这在科学上被称为“铁电畴”。此外，如果生长条纹是周期性的，则畴也是周期性排列的。

"严格地说，畴是晶体中的缺陷."中国科学院院士、南京大学物理学院教授朱世宁在接受《中国科学》杂志采访时解释说:“它影响晶体的完整性和均匀性，进而影响其性能和用途。”

通过观察晶体切片的显微照片，闵乃本和其他人认为，既然很难消除这种周期性的铁电畴，为什么不寻找另一种方法来看看它是否有用呢？

他们想到了诺贝尔奖得主、美国科学家布隆·卑尔根提出的“准相位匹配理论”。虽然该理论预测激光倍频在周期结构晶体中具有很高的转换效率，但该理论尚未得到实验的严格验证，原因是很难严格按照设计要求制备周期结构晶体。

闵乃本等人立即敏锐地意识到，具有周期畴的铌酸锂晶体可以用来验证这一重要理论。在探索晶体生长条件后，根据理论估算，最终生长出周期畴结构晶体。在实验中，当波长为1.06微米的红外激光通过晶体时，他们看到了预期的亮倍频绿光，其效率与理论估计一致。

1982年，这项成果获得国家自然科学二等奖。这是一个值得骄傲的奖项，但这项工作的灵感更有价值:微结构可以作为一种手段来调节和改善材料性能，并开发新的效果，其效果是“变石为金，变废为宝”。

"原始基础研究要求科学家通过自己的科学判断来探索有价值的科学问题."朱认为，这是新知识、新技术、新应用的不竭源泉。

抓紧:千里之行始于足下。

20世纪80年代初，南京大学物理系率先在国内开展微结构材料的研究，并在国家的支持下于1984年建立了“固体微结构物理国家重点实验室”。同年，中国成立了国家自然科学基金。

两个重要的事件让闵乃本欢欣鼓舞，他从参观学习归来。49岁时，他开始组建自己的研究团队，并以周期结构铌酸锂晶体为突破口，开始探索微结构材料的学术体系。

受IBM的和朱对半导体超晶格研究的启发，闵乃本提出了介质超晶格的概念，因为非线性光学晶体大多是好的绝缘体，即电介质。

然而，在改革开放之初，受“卖茶叶蛋比制造原子弹好”的“人才倒挂”现象的影响，闵乃本的团队面临着人才持续流失的困境。

从痛苦的经历中吸取教训后，闵乃本决定从实际出发，选择一批优秀的学生作为自己的研究生，让更多优秀的年轻人以一种润物细无声的方式聚集在团队中。

也是在那个时候，消息传来，以色列科学家丹·谢尔曼发现了一种新的物质形式——准晶。这一发现突破了人们对晶体物质的理解。受此启发，闵乃本提出了一个想法:可以将准晶结构引入电介质超晶格来构建准周期超晶格吗？

经过三年的探索，闵乃本和他的学生朱永元等人建立了多能级匹配理论，预言准周期介电超晶格可以同时将一种颜色的激光转换成两种或三种颜色的激光。

首次用斐波那契光学超晶格实现了高效率激光直接倍频。

尽管他们对这一理论感到兴奋，但根据闵乃本自己的说法，发表在《物理评论B》上的这篇论文“并没有在学术界引起太多的反响”。

一些失望的闵乃本发现，没有实验验证的理论，终究很难吸引别人的注意力。结果，他们开始寻找制备介电超晶格的新技术。

这种转变发生在1992年。日本科学家利用半导体平面技术制造周期性结构光波导的消息激励了他们。"既然周期结构是可以实现的，那么准周期应该不成问题。"朱闪灵人说道。

经过两年的探索，朱世宁等人成功地开发出了一种室温图案极化制备介电超晶格的新技术。该技术可以更准确地表达晶体内部的微结构图案，不仅发展了准周期超晶格，而且解决了超晶格的批量制备问题。

1996年，该团队研制的准周期介质超晶格实现了多波长激光倍频和直接高效激光倍频，这意味着他们的多能级相位匹配理论最终得到了实验验证。该成果发表在《科学》杂志上，并被科技部评为1998年中国基础研究十大成果之一。

《激光世界》评论道:“南京大学固体微结构国家重点实验室的研究人员展示了准周期结构在非线性光学领域的一个可能的重要应用。”

20世纪90年代以来，在美国斯坦福大学和日本材料研究所等大量国际高水平科研团队的介入下，介电超晶格逐渐成为一个热门领域。

从1997年到1999年，闵乃本和他的团队每年都在《科学》杂志上发表一篇文章。他们最终用自己的毅力和创新向国际学术界证明了中国科学家的远见和实力。

发展:继承中的不断创新

获得国家自然科学一等奖后，闵乃本带领团队开发和完善了三种不同功能的介电超晶格材料:光学超晶格、声学超晶格和离子声子晶体。

随着杰出青年群体的加入，该团队已经发展成为几个研究小组，朝着研究的广度和深度前进，从简单的基础研究扩展到不同方向的基础研究、技术创新和工程发展。在朱闪灵看来，“以电介质超晶格为代表的微结构材料是亟待开发的科学瑰宝，越来越受到寻宝者的关注”。

闵乃本(右一)、臧文姬(右二)、秦依强(右三)、朱闪灵(左一)、卢延庆(左二)。

更重要的是，他们开发的介质超晶格高性能器件正满足高科技发展的实际需要。例如，光学超晶格已经广泛用于全固态脉冲激光器、高精度光学频率梳、激光脉冲压缩和阿秒技术。光学超晶格中红外激光器已用于中远程大气监测雷达。光学超晶格的分布式反馈结构也被用于半导体激光器阵列的设计或写入光纤中，以提高检测灵敏度和信号收集与处理。

此外，光学超晶格也用于光学量子信息技术。在南京大学最近完成的“墨子”量子卫星和首个国际无人机量子通信实验中，飞行器携带的纠缠光源的核心材料是光学超晶格(PP KTP)；光学超晶格可以用来在光子芯片上产生各种可控的单光子、纠缠光子、高维纠缠光子甚至超纠缠光子。南京大学研制的第一个高速电光调制有源铌酸锂光量子芯片采用了光学超晶格结构。

由于信息技术的需求，声学超晶格和离子声子晶体材料也得到了迅速发展和广泛应用。新概念装置不断发展，并通过生产、教学和研究相结合，正在转化为新的研究和开发机构的成果，从而为国家经济建设作出贡献。这正是闵乃本喜欢说的:“一旦基础打好，一切都会水到渠成。”

将不受欢迎的话题变成热门话题，在坚持的同时不断创新，最终造福社会，这也许是基础研究的魅力和价值所在。

这就是40年来对电介质超晶格的研究。“基础研究必须向前推进。当微观结构研究的先驱们确立这个方向时，他们可能已经预见到了它的未来，但当接力棒一个接一个地传递下去时，他们依靠的是不断开拓的精神和世世代代永不放弃的信念。”朱闪灵人说道。

同时，朱世宁强调:“原创性创新来自科学家的创造，这需要创造一个宽松的科研环境。作为一个管理部门，我们应该坚持科学规律，分清科学与技术的区别，处理好从0到1、从1到n的关系，这样才能出现更多的原创性创新。”