从2004年进入北京大学攻读博士到如今成为凝聚态光学领域的知名学者，北京大学物理学院教授、国家杰出青年科学基金获得者马仁敏，凭借对科研的执着热爱和坚韧不拔的毅力，带领课题组在纳米激光研究中取得了一系列重要突破。

马仁敏近照

他和团队确证了等离激元纳米激光的性能优势，提出并实现了魔角纳米激光，打破了纳米激光只能实现单个或固定阵列相干激射的局限，成功实现了可重构的莫尔纳米激光阵列。2024年7月，马仁敏课题组在Nature上发表了前沿创新成果《具有原子尺度局域化光场的奇点介电纳米激光》。该研究提出了奇点色散方程，构建了在电介质体系中突破光学衍射极限的理论框架，并实现了迄今为止模式体积最小的激光器。

这些研究成果得到了学术界的广泛认可——

“金属能否提高激光性能是纳米光学领域一个长期悬而未决的问题……马仁敏和合作者通过缜密的实验解决了这一问题……实验结果非常重要，为激光的进一步微型化铺平了道路。”

——Nature Materials专题报道确证等离激元纳米激光性能优势的工作

“设计概念极具创新性，同时展现了卓越的器件性能。”

——Nature Nanotechnology专题报道魔角纳米激光工作

“将多个激光器组合成一个明亮的光源看似简单，实则极为复杂……他们对莫尔平带的独创性应用克服了这一挑战。”

——Nature专题报道可重构莫尔纳米激光阵列的工作

此外，马仁敏团队相关成果入选2018美国物理学会Physics年度重点成果、2018和2020中国光学十大进展、2020中国半导体十大研究进展、2020中国百篇最具国际影响学术论文、2024中关村论坛年会重大成果。马仁敏于2021年获得第三届“科学探索奖”，2022年获得中国光学学会王大珩光学奖等。

马仁敏及团队所获得的部分奖项

科学探索之路充满坎坷，已在该领域取得突出成就的马仁敏回顾科研求索的历程，常常会从那个独守在装满零下200多度液氦的钢罐旁守候“光明”的夜晚讲起。

绝处逢生，无数次失败后的“守得云开见月明”

在北大读博士期间，马仁敏参与实现了国际上首个等离激元纳米激光，彼时，等离激元纳米激光器件需要冷却到零下200多度的液氦温度才能工作。如何攻克室温激射的世界难题成为马仁敏到加州大学伯克利分校继续做博士后研究的重要课题。

“有好几个月的时间，我尝试制备了几百个不同的器件，每天都在实验室工作到凌晨，但这些器件依然只能在低温下实现激射。”

是换个赛道重新出发，还是把这个关口闯过去？马仁敏选择了后者。在又一个熬到凌晨两三点钟的夜晚，实验终于出现了转机——

依然是在装着零下200多度液氦的钢罐旁，已经非常疲惫的马仁敏挪动了一下实验台，偶然发现一个器件发出的光束异常明亮，这表明该器件性能优异。这束明亮的光为将器件的工作温度升至室温带来了希望。他如获珍宝，连续实验数周，分析数据、探寻机理。经过不懈努力，马仁敏和合作者成功将低损耗、亚衍射极限的金属-绝缘体-半导体表面等离激元混合模式与厚度仅为光波长十分之一的纳米半导体薄片结合，制备出了具有高品质因子的表面等离激元微腔，成功实现了室温等离激元纳米激光。这项成果发表在Nature Materials以后，被MIT Technology Review专题报道，称其打破了“等离激元纳米激光只能在低温下工作”的质疑，为等离激元纳米激光的实际应用奠定了基础。

若干年后，马仁敏还是常常回忆起那些个守在冒着白烟的液氦罐子旁的日日夜夜。“没有人喜欢失败，但是要有心从失败中吸取经验，让下一次实验有可能离成功更近一些。”马仁敏认为，每一次看似“幸运”的科研突破背后，总有着无数看不到的艰辛付出，突破瓶颈的重要因素就是坚持长期主义，要能够有足够的意志力从失败和挫折中穿越出来，绝处逢生。

跨越极限，实现激光器的“最小”突破

晶体管和激光是信息技术中的两大关键元器件。晶体管的微型化推动了电子芯片的飞速发展，目前，最先进的晶体管特征尺寸已经达到纳米级别。与利用电子的晶体管相比，缩小利用光子的激光器难度要大很多，对可见和近红外波段的光子来说，由于衍射极限的存在，其体积要比晶体管中的电子大9个量级左右。“压缩”光子，将激光器的尺寸缩小到晶体管的水平成为了马仁敏追寻的科研目标。

马仁敏指导学生做实验

马仁敏介绍道，自1960年激光发明以来，科学家们一直致力于通过时间、空间等维度压缩光场，以实现更高性能的激光。在时间维度上，极端压缩光场产生了阿秒激光，使得观测微观粒子的超快运动成为可能，相关研究获得了2023年诺贝尔物理学奖。在空间维度上，极端压缩光场实现的纳米激光有望为新一代信息技术和研究强光场局域下的光与物质相互作用带来新的机遇。

近年来，他与合作者在纳米激光领域取得了一系列突破性成果，其中5篇论文发表在Nature和Science上。2024年7月17日的Nature杂志上，马仁敏课题组提出了奇点色散方程，构建了介电质体系突破光学衍射极限的理论框架，实现了迄今模式体积最小的激光，所发明的奇点介电纳米激光将激光特征尺度推进至原子级。这意味着，马仁敏所孜孜不倦探索的科研目标，在极其微小的空间内制造激光并探索其中新奇的物理现象和潜在应用又有了新的突破。

学术界长期认为在无等离激元效应的介质体系中实现亚衍射极限光场限制是不可能的，因为这看似会违背量子力学中的不确定性原理。马仁敏课题组的此项成果不仅开辟了亚衍射极限光学的新途径，还避免了等离激元效应中金属材料固有的损耗问题。这被认为有望为物质科学和生命科学的研究提供全新的工具。同时，相较于现有激光，奇点介电纳米激光不仅能耗更低，还能实现更快的调制速度和更强的光与物质相互作用，在信息技术、传感探测等领域有广泛应用潜力。

幸遇良师，以传承报答师恩

马仁敏很庆幸自己在科学探索的过程中得遇良师。2004年进入北大物理学院的马仁敏遇到了引领他进入学术生涯的两位恩师：秦国刚院士和戴伦教授。从入院到2009年博士毕业，马仁敏在两位恩师的关怀下迅速成长。“我每周有幸固定同秦老师和戴老师一起讨论问题，他们身上潜心治学、攻坚克难的精神品格深深影响了我。”马仁敏说道。

2013年马仁敏与秦国刚（右）、戴伦（左）的合影

老师们的悉心指导和北大宽松自由的学术氛围为马仁敏在物理世界的探索提供了广阔的空间。在研究生期间，他先后获得了北京大学“学术十杰”、叶企孙实验物理奖、北京大学优秀毕业生、全国优秀博士学位论文等多项荣誉。他说：“这些奖项是对我在老师们精心指导下所取得的科研成果的肯定，更重要的是，老师们的言传身教让我在科研过程中深刻体会到何谓真正的科学钻研精神。”

读博期间，马仁敏开始尝试研究增益介质材料，远在美国加州大学伯克利分校的张翔教授是超构材料和纳米光子学领域的国际开拓者之一，马仁敏的研究引起了他的注意，从北大毕业后，马仁敏跟随张翔教授在伯克利做博士后研究。

2014年，马仁敏与张翔（左）的合影

“张老师强调平等与质疑的精神，鼓励学生在学术上与老师平等对话，提出问题，质疑权威，培养他们的独立思考和创新能力。同时，张老师致力于创造自由开放的学术氛围，让学生大胆探索天马行空的想法，在学生面对困难时会鼓励大家坚持下去、不屈不挠。我很怀念当时和大家一起讨论甚至争论学术问题的时光。”据马仁敏回忆，当时张翔教授的课题组约有50人，博士后和博士生各占一半，每天都会有小组讨论会。“讨论到激动大家经常站起来‘手舞足蹈’，用马克笔在白板上绘图争论。”博士后期间，马仁敏完全沉浸在艰辛却充满乐趣的科学研究中，时间飞快地流逝了5年。

凭借着优秀的科研成果，马仁敏收到了数所国外大学的教职邀请，但他还是在接到母校抛来的橄榄枝时毅然选择回到北大，在最熟悉的地方继续热爱的科研工作。为了协助他回国后尽快安顿生活、开展工作，他的家人也辞去美国的工作同他一起回到了北京，马仁敏对家人一直以来对他追求学术理想的理解和支持非常感激。

科研攻关的过程充满艰辛，而正是付出的汗水让收获的时刻尤为难忘。“今年2月9日是农历除夕，家家户户都在团圆迎新，我也正在老家与家人团聚。之前我对学生们说，我们要争取在新年前将奇点介电纳米激光的研究成果投递出去。为此，我特意在老家购置了一台大显示器，便于春节假期期间与学生们共同完成稿件的最后修改。我们最终也正是在除夕这天将稿件投给了Nature。”这种孜孜不倦、只争朝夕的努力换来了稿件的顺利接收，也让师生们的付出有了回报。教学相长、共同进步的过程让马仁敏更加坚定了成为北大教师这一职业选择的正确性。

马仁敏与团队进行讨论

作为北大教师，马仁敏认为，回报恩师最好的方式就是传承科学精神。他说：“在攻读博士和从事博后研究的阶段，我有幸遇到了几位恩师，他们不仅教会了我如何进行科研，更以身作则，让我深刻领悟了潜心治学和勇于探索的科学精神。我希望在培养学生的过程中，将这种精神传承下去，鼓励他们独立思考、锐意进取，培养他们对科学的热爱和责任感。”

目前，马仁敏的课题组有约20人，学生们各具特色，他探索着启智润心、因材施教中引导学生成长的教学之法。在马仁敏看来，随着国家综合国力的显著提升以及对科学研究的高度重视，北大这样的顶尖高校所提供的研究平台已达到国际先进水平，自主培养高水平青年科学人才的条件也日趋成熟。

“我们的学生在学习上都具备出色的能力，因此我更注重培养他们的科研方法和科学素养。我希望他们不仅具备提出问题和解决问题的能力，还拥有百折不挠、持之以恒的科学精神，以及对卓越的科学品质的追求。”马仁敏说道。归国10年，他以研究者和教师的双重身份，带领年轻的北大科研人勇闯科学的“无人之境”，在探索物理极限的旅途中尽享突破的美感与喜悦。

（信息来源：北京大学新闻网  2024/11/01）