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高端访谈

专访纳米激光领域领军人宁存政

激光制造网 来源:长光所Light中心 中国光学2021-03-24 我要评论(0 )   

编者按:宁存政教授是世界纳米激光领域的领军人之一、是白光激光的发明者。他所领导的研究小组在半导体纳米光电子学方面创造了多项世界第一,包括世界上首次实现突破衍...

编者按:
宁存政教授是世界纳米激光领域的领军人之一、是白光激光的发明者。他所领导的研究小组在半导体纳米光电子学方面创造了多项世界第一,包括世界上首次实现突破衍射极限、尺寸小于半波长的等离子激元半导体激光器;世界上首次实现电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转;首次实现四元纳米合金及单一基底上合金半导体纳米线能隙调控及连续可调激射世界纪录等。


本期宁教授将向我们讲述他和纳米激光、纳米光电器件尺寸小型化极限多年“斗争”的故事以及在科研道路上的心得体会和经验教训。

宁存政 教授


人物小传:

清华大学电子工程系教授,美国亚利桑那州立大学电机系终身教授。1982年和1985年分别获得西北大学物理学学士和硕士学位,1991年于德国斯图加特大学获物理博士学位,师从世界著名物理学家哈肯(Hermann Haken)教授,1994年在美国亚利桑那大学进行博士后研究,1997年担任美国国家航空航天总署(NASA)AMES研究中心资深科学家,创建纳米光学研究组,并任纳米技术项目经理,2006年任日本东京大学固体物理研究所ISSP访问教授,2013年任德国柏林工业大学访问教授。曾获得多项奖励,包括电气工程师学会杰出讲师奖,NASA纳米技术奖,CSC杰出贡献奖,因白光激光的发明获美国《Popular Science》年度十大发明奖,2020年获德国洪堡研究奖。早期曾在量子及非线性非平衡系统、激光动力学等方面做出过重要贡献,包括随机相干共振现象和激光中几何位相的发现。近二十年主要从事纳米光电子学研究,在纳米半导体合金材料及等离子激元纳米激光方面做出多项开创性贡献。


1、记者:您从事量子光学、激光物理等方面的研究工作已有30多年,近20年来主要聚焦于纳米尺度上的激光器以及光放大器等未来芯片上光电集成的核心器件。您在纳米激光及纳米线光电材料方面,做出了一系列重大发现、发明及开拓性研究贡献,特别是白光激光的发明。我们很想知道,您从去德国攻读博士学位的时候开始的经历以及如何确立自己的研究领域?能否谈谈您在研究纳米激光器过程中遇到的主要困难?

宁存政:1986年我赴德国攻读博士学位,初衷就是奔着德国著名物理学家,也就是我后来的导师Hermann Haken(哈肯)去的。作为德国当代著名的科学家,上世纪60年代他将激光研究从美国引入德国,在固体物理、激光物理、量子光学等领域有着举足轻重的影响力。他创立的“协同学”曾风靡全球。但我86年去德国时他的兴趣已经不在激光物理了。今天大家对深度学习比较熟悉,当时他给我的第一个研究课题就是非马尔科夫过程下的学习过程,具体是如何通过建立数学物理模型,理解和模拟大脑的认知和学习过程。但是这个课题对我来说太新,且与我当时的背景相差较大,最终选择了自己较为熟悉的激光领域,当时主要的研究方向是激光里的非线性动力学、包括随机动力学、双光子激光、激光物理、及量子光学等课题。哈肯给我的自由度相当大,所以我有很多时间去探索不同的东西,包括当时较热的几何位相等。当时还有一个选择,就是首次听到的量子计算。深度学习和量子计算都是今天很热的课题,可惜各种原因,与我30多年前失之交臂。1994年我赴美国亚利桑那大学攻读博士后,开始研究半导体光电子器件及激光。1997年到美国航空航天总署(NASA)的AMES研究中心开始研究纳米光电子。2002年后我将焦点转入纳米激光领域。以上是我过去35年研究经历的时间轴。


我做纳米线材料及激光器始于2002年,应该算是做光电子领域最早的人之一,此前纳米线研究者基本都是化学家和材料学家。我当时在《科学》杂志上看到加州大学伯克利分校杨培东组发表的一篇文章,文中讲到他们在直径不到头发丝百分之一的半导体纳米线上实现了世界上最小的激光器——纳米激光器,这是半导体激光器小型化的一个重大转折,这一发明将有可能用于未来的光子计算机。该成果引起了我极大的兴趣,特别是直径那么小的纳米线怎么会支持激光模式,我便邀请杨培东来NASA作报告。我们后来的研究发现,线两端的散射提供了激射所需的反馈机制,即“镜面”,从而解释了纳米线为什么会激射。这是我从事纳米激光研究的开端,也是从那时开始了与杨培东长达十几年的合作。


作为半导体材料,纳米线是一类很有意思的研究对象。我们做半导体光电器件的人都知道,衬底或叫基底是薄膜外延生长光电材料的关键,衬底的晶格常数基本决定了我们可以生长的材料及其能隙,同时也决定了我们能做出的光电器件的波长。而我们很多应用,比如太阳能电池、半导体照明等希望能在一个给定的基底上实现很大范围的能隙或波长,但囿于晶格常数的限制,我们目前还无法做到这点。与之相比纳米线有一个好处,它对生长基底不敏感,所以大概在2014年开始我想利用这一优势,把纳米线的能隙工程或者发光波长的调谐范围,通过合金组分的控制做到极限。正所谓,有时候你的短板也是你的优势,我的专业并不是做材料的,所以我能够突破常规束缚提出一些非常规的想法,我想能否在一个比如说长方形基底上,一端生长一个窄带的半导体,另外一端生长宽带的半导体,在中间生长二者的合金,而且在空间上从一端到另一端连续调控组分,这样的单一基底上空间组分连续可调的东西是我们之前用常规的薄膜外延方法无法想象的。大约在2004年左右,我还在NASA期间,我们曾尝试用这种办法生长铟镓锑(InGaSb),试图实现波长从近红外到中红外的连续调控,试了2~3年,虽然没有完全成功,但我们成功生长了GaSb,实现了第一个近红外的单根纳米线激光。2006年,我到亚利桑那州立大学后继续这一研究,但始终没有在 III-V族材料上取得成功,后来我招了个博士后——湖南大学潘安练,他对II-VI族材料比较熟。最后我们在II-VI族材料上成功实现了我的想法, 即通过空间连续的组分调控,在单一基底上首次实现了从绿到红连续波长可调,并首次实现波长调谐范围达200多纳米的可调激光,后来在此基础上,我们还发展出了双梯度法,实现了二维空间的合金组分调控,也将组分推广到包括发蓝光的宽带合金,即单一基底发射全部可见光。当时遇到的技术上的困难主要是如何在基底上一定距离内使温度分布接近所要生长的各个合金组分生长的最佳温度,但有时候与技术问题相比,观念上的突破和遇到悲观的阻力时所需的勇气更加重要,记得当时我把这个想法告诉了一个材料生长专家,他说这个根本不可能,并列举了很多原因。但无知者无畏,我想反正成本不高,不如试一试,最后终于成功了。以上就是我在研究纳米激光器过程中遇到的主要困难。


你们提到的白光激光就是在此基础上实现的!这是我最满意的工作之一,也是一个绝路逢生的例子,我稍微多说几句。如何在单体半导体或单个器件中实现多色或白色激射是大家一个长久的梦想,但传统薄膜外延生长无法实现,因为发不同波长光的半导体晶格常数及生长条件差别太大,无法一起生长,这也是我们直到今天还无法实现纯半导体照明的根本原因。在单一基底或单根纳米线多色发光的可行性被证明后,我在想如何能在单体的半导体纳米结构上实现多色同时激射,但我们分析后发现纳米线不是一个理想的结构,因为短波长发射总被窄带材料吸收。所以我们想能否把不同能隙的材料生长成多部、单体、并行的矩形纳米薄膜,这样不同的材料发出不同的波长,在相应的矩形腔中振荡,从而实现多波长激射。很快我们证明了这种办法可以在单一结构上实现红绿双色的激射。但后来我们在尝试增加一个发蓝光的宽带半导体时却陷入了困境,由于生长条件差别太大,我们无法将发红绿蓝三色光的三种材料都生长成矩形薄膜,特别是生长成一个单体!几年的努力中多次遇到无路可走,学生要放弃,真的是山穷水尽。有时候你的认真、坚持、努力,会有些意想不到的回报,“柳暗花明”不一定出现在“疑无路”的同一方向或同一条道路上。直接生长行不通,我们在不断地尝试中偶然发现离子置换可以将原来发红光的半导体薄膜变为发蓝光的合金,这样我们通过对生长条件的动态调控,先生长出发红光的薄膜,再将它置换为发蓝光的合金,在此基础上再依次生长出发绿光和红光的材料,将三种能隙的材料生长成一个单体的矩形薄膜,但含三个并行部分,能分别支持三色同时激射,而且可以通过对泵浦分别调控实现任何可见光的激射,终于在2015年实现了世界上首个白光激光。这一成果很快受到世界媒体的关注,包括亚洲,美国,欧洲的很多杂志,报纸,电视台,电台都对其做了大量的采访报道。同年美国著名科技期刊将白光激光评选为当年工程类十大发明之一,国内几家媒体也将白光激光评选为激光技术十大进展等。这一成果是信心和坚持最终成功的一个很满意的例子!


2013年在柏林受博士导师哈肯教授(中)邀请参加德国年度科学和艺术界大十字勋章(Orden Pour le mérite)获得者会议晚宴
(这是德国总统每年召集的晚宴,哈肯教授1985年获得该勋章)


2、记者:您的科研经历非常令人佩服,有多项物理现象和理论以您的名字命名,比如Ning-Haken几何位相理论。作为一名拥有如此殊荣的科学家,您认为要成为优秀的科研工作者,应该具备哪些素养?


宁存政:关于研究工作的经验和教训,我近几年在国内做过几次更详细的报告。首先,我认为要敢想,敢质疑,即使是常识和常规的东西,也不要不加思索地轻易接受。这是我的导师哈肯教授多次教诲我的。另外,可以听专家的建议,但是不要被专家的想法左右,如果你对某一件具体事情真正地深思熟虑过了,那么在这个方面其实你懂的比很多大专家要多(这句话其实是我在大学与侯伯宇老师做论文时,他教导我的)。另外是勇气和信心,研究和探索过程中必然会碰到困难,如果没有足够的信心,那么失败是注定的。还有一点,我认为做事情一定要有始有终,即使你觉得已经山穷水尽时,也不要轻易放弃,因为柳暗花明随时可能出现。而实在不得不策略性地暂时放弃时,也要做好总结,时刻准备卷土重来。几何位相的研究就是一个很好的例子,我在读博期间发现激光自发脉冲时,激光的位相与当时很热门的Berry位相的行为非常类似。问题是这样的:当激光在脉冲模式时,在t=0时,我们随便设定一个位相,当t等于一个周期以后,即当激光发射一个脉冲后,位相是什么,如何变化的?我的直觉告诉我,这个问题和量子力学上的Berry位相完全一致,但是我却无法用已知的量子力学来证明。因为尽管二者行为上相似,但这是两个完全不同的系统。Berry处理的量子力学系统是线性的厄密系统,而激光是一个典型的非线性非守恒系统,它里面有泵浦有耗散,物理上对这两种系统用截然不同的两套物理语言和数学体系来描述。我虽然坚信物理本质是一样的,但却无法用Berry位相的理论来解释, 在耗时2年后,终于在1991年我成功地从理论上证明了两者的一致性, 这也是我的第一个PRL文章。后来有人称它为Ning-Haken几何位相理论,也有人称它为Landsberg-Ning-Haken表述,因为当时伯克利大学的Landsberg也在从完全不同的角度处理了类似问题!我个人认为这是我做的最好的工作之一。虽然这篇文章被引用次数不是很多,但是它第一次把几何位相的概念,从一个线性厄密系统推广到一大类具有周期或非周期吸引子的非线性耗散系统,是非线性非守恒系统几何位相的第一个例子,这个方面还有很多工作需要做。


奥地利奥尔匹斯山开会时与一批著名光科学家合照(从左至右:Boris Zeldovich,Robert G. Harrison, Michael Berry, Hermann Haken, Y. I. Khanin, Olga Kocharovskaya,宁存政)


3、记者:去年,您在Light上发表了题为“Excitonic complexes and optical gain in two-dimensional molybdenum ditelluride well below the Mott transition”的学术论文,文中将二维二碲化钼作为增益介质,探索新的光学增益机制,相较于传统的半导体材料有数量级的性能提升,这为在硅基光电集成芯片上实现纳米尺度的高增益光放大器奠定了重要基础。您认为二维材料作为一种新型增益介质,它面临的挑战都有哪些?能否请您谈谈传统材料和二维材料在纳米激光领域的未来发展前景?


宁存政:这是我最近非常感兴趣的课题。多年来我一直在思考如何用自己的物理背景的长处,从一些最新的物理现象或者物理机制和原理出发,做一些新的器件或者实现新的器件功能。最近十多年来,二维材料在光学、电学各个方向的应用越来越受到重视,这是一个从新物理到新器件的理想领域,所以2015年我到清华大学后开始着手做二维材料新的光电物理性质和器件应用。二维半导体材料有一个非常有意思的地方,就是它们的激子结合能比我们通常的半导体材料大差不多两个量级。我们现在使用的几乎所有的半导体激光,它们的光学增益都是基于一种叫做电子-空穴等离子体的东西。也就是说它需要达到极高的电子浓度后,才有增益的效果,因而要求注入电流很高。这与我们想实现的低功耗、低电流的节能光电器件的目标相矛盾,因为它需要泵浦非常高,才能出现增益,加上需要克服腔损耗,器件需要的功耗和能量就更高了。那么能否在低泵浦情况下实现光学增益呢?
这得回到我2006年我在日本东京大学做访问教授时的一个工作。当时跟东大教授合作中,在砷化镓的量子线中我们发现了一种双激子增益——两个激子形成一种类似双原子分子的激子分子,它衰变以后发出一个光子变成另外一个激子,如果在一个半导体中,相对于激子状态,系统更多地处于这种激子分子状态,那么这个过程可以提供光学增益,类似固体或气体激光中的粒子数反转引起的增益。而这种增益不需要半导体中的极高泵浦,原则上可以在极低密度时实现,为我们低能耗光子器件提供了一个新的机会,其实原理上,半导体在低密度的激子状态时,存在着各种与激子相关的增益,这是一大类新的物理问题,但是又与一个经典的物理问题相关,即半导体从激子绝缘体到电子-空穴的导体的莫特相变,普通半导体由于激子非常不稳定,这种增益只能在极低温度下实现,因而理论上和实验上研究很少,更无法做成常用的器件。而二维材料的极大激子结合能为研究这个经典物理问题和相关应用提供了新的契机。这样原来我们需在低温下才能做的东西,将来可以在室温甚至更高温度下做。由于二维材料中激子结合非常大,能不能在莫特相变之前,即在密度远低于莫特相变时,特别是较高温度下,利用激子产生增益?经过研究我们发现,在远低于莫特相变之前,它有激子、三子和双激子等各种各样的可能性,与分子的转换很相似,这种转换都可能提供新的增益机制。二维材料中这一课题的研究基本处于空白,我们是第一个从事该研究的课题组,最新的结果就是刚在Light期刊上发表的关于三子增益的结果。这类问题就是我说的从新物理到新器件的研究,特别是低能耗的器件,这是我一直追求的事情,这个工作还只是个开始。


二维材料还有很多其它许多优势,比如在竖直方向没有悬挂键,所以它对衬底的晶格结构不敏感,加上它们极薄,弹性和韧性很好,便于与其它材料异质集成,再比如和硅的集成,这也是我们目前研究的一个方向,我们在2017年实现了基于二维材料和硅集成的纳米激光。但是二维材料目前也存在很多问题,比如二维材料的质量和稳定性还不行,无法规模性生长制作。但是将二维材料作为基础研究或者前沿研究,我觉得还是大有可为的。最终哪些优势能转变成实际器件上的优势,现在说可能还为时过早,但是根据它们已有的优势和潜力,我觉得它将是一个很有意义且值得投入的领域。


2013年在CLEO会议上,时任OSA主席、诺奖获得者Donna Strickland颁发OSA fellow牌匾


4、记者:您在Light上发表了题为“Ten years of spasers and plasmonic nanolasers”的综述文章(),总结了近十年等离子体纳米激光器的研究进展,概述了设计这种微型激光器的关键技术。能讲讲这种激光器的背景吗?将激光器小型化一直是光电领域的一个热门课题,您认为纳米激光器最终可以做到多小呢?今后这类纳米激光器缩小尺寸的潜在突破方向有哪些?


宁存政:等离子激元激光器是我从2006年以来一直专注的重要课题。这些年来,我在纳米光电子领域的研究主要分为纳米线和等离子激元两大块。从2003年开始做纳米线激光器以来,我们发现纳米线直径小于几百纳米之后,它对光的限制能力会很快下降。所以当时我们就在想,如何改进光的限制,利用很小的纳米线也能做成激光?


正巧2006年美国国防部高级研究计划局(DARPA)有一个项目,研究的问题是激光器最小可以做到多小?在我们大家的印象里DARPA是一个纯应用型研发资助机构,但它其实也经常做一些所谓的“blue sky research", 即尚不知道应用的研究。半导体激光小型化是最近几十年来的发展趋势,我们知道有微盘激光、光子晶体激光和纳米线激光,所有这些所谓的小型激光都是在一个或两个维度上比较小,但另外的维度很大。当时DARPA提出一个想法:能否将激光在xyz三个维度上都做得小于波长?针对这个难题,我和一个博士后提出了一个想法,给纳米线周围包上银,利用银和纳米线界面的等离子激元来限制激光模式,虽然金属中的高损耗众所周知,但没有金属时,小的纳米线辐射损耗更高。当时的问题是,能否利用中间的半导体材料提供足够的增益,以超越金属损耗,达到阈值。我们模拟的结果是有可能。但当我讲给同行们时,他们很多人表示不可能。这个项目当时在DARPA内部和光电领域悲观的人很多,很多很有影响的激光专家说我们不会做出来的,关于如何倾听专家的意见,我上面讲过,即虚心听取,坚决不改(如果你坚信自己是正确的话)!我们经过很多努力,于2008年做出了第一个等离子激元激光,世界上共有三家做出了类似的激光,所以2009年先后有3篇文章报道等离子激元(或SPASER)的研究工作,这标志着等离子激元激光的首次实现。


关于纳米激光器最小能够达到多少?我认为目前来看,依然是利用等离子激元的办法,能做的最小,它能够达到几纳米或者几十纳米这样的尺度,将来可能会做的更小。但是碰到的难题就是损耗太高。我曾在发表的文章中论述了能耗与尺寸的关系。也就是说能耗要降低,尺寸必须减少,当尺寸缩小到一定程度后,你会发现不用等离子激元和金属,尺寸没有办法缩小。目前,等离子激元是最好的方法,尽管它损耗非常高,但是当尺寸小到一定程度时,由于远场辐射损耗急剧增加,所以即使加上等离子激元损耗,阈值还是要较纯半导体更低。还有一个问题是金属的质量。因为我们目前的金银,基本是多晶,要把大块金属做成单晶,并与其它半导体工艺兼容,难度非常高。未来我非常希望能够提高金属的质量,找到在常用金属外更合适的金属,如前段时间南京大学将金属钠作为等离子激元材料的工作和很多组都在研究的高掺杂半导体及氧化物等。


2003年在美墨边境海边参加“晶格常数为6.1埃的半导体国际会议”上,获得“沙雕”第一名时与小组成员合照


5、记者:您曾经说过光电集成芯片技术的最终实现是您的一个梦想,而这种集成技术也是近几十年光电集成芯片还未完全解决的问题,那么您是如何看待光电集成技术的现状和未来发展?未来可行的集成方案是什么?主要挑战都有哪些?国内与国外相比有什么差距?如果请您预测,请问未来大概什么时候我们将进入光电集成芯片成为主流的“光世纪”?


宁存政:光电集成芯片不仅是我的梦想,也是几十年来光电界几代人的共同梦想和努力目标,这主要指的是未来能在芯片上将基于电子的信息处理和基于光子的传输和通讯同时集成起来。二十多年前,大家预测2020年会实现这一目标,显然希望落空了。其实在稍微大的尺度上,光电集成模块已经有了,比如光电收发模块,全世界至少有10家公司都能够制出,从100G到400G国际上都有现成的产品,下一个目标是600G或800G,这些目前更多的是模块的组装或封装型的集成。这种集成不能用在计算机芯片上,所以要实现在微电子芯片意义上的光电芯片难度还是非常大的。IBM和英特尔曾在多年前表示要在2020年前做成光电芯片。但是现在英特尔已经将时间改为20XX年,所以由此可见难度确实非常大。需要承认,我们光电集成的水平近20多年进步很大,但什么时候真正能做到计算机芯片层次的集成目前还很难说。大家都说20世纪是电子的世纪,21世纪是光子世纪,光互连的尺度越来越小,光的世纪也已近在眼前,但真正意义上的片上超算,片上数据中心和片上光电集成,可能还有很长的路要走。


关于挑战,我先讲一下世界范围内整个领域目前遇到的问题和解决方案。从未来真正片上集成角度来看,主要是能耗、光子器件尺寸以及如何将发光材料和硅集成起来的问题。据系统层次分析,未来片上光互联的尺寸需降到每比特10个飞焦(1飞焦=10-15焦耳)以下,而目前用于互联的半导体激光耗能还需降2-3个量级,难度极高。关于器件尺寸问题,我打个比方,如果光子器件是一个几百米高的摩天大厦,那么基于CMOS的电子器件就是大厦旁边的一个小櫈子,光子器件比电子器件大百倍甚至千倍,另外尺寸和能耗密切相关,就是说不管是从降低能耗的角度,还是从与电子器件尺寸失配的角度,缩小光子器件尺寸都是不可避免的。目前的半导体激光的核心尺寸都在几十个微米以上,要缩小2-3个量级,需要全新的器件概念和设计,目前并没有成熟的设计,等离子激元激光是目前唯一可以做到这种尺寸的概念。如果不能够将光电器件的尺寸和能耗降低,那么真正意义的光电芯片就永远没法实现。硅基集成是几十年来一直追求的目标,这里关键难点是光源的集成,因为光源与激光器无法用硅做,所以得想办法把基于其它材料的激光与硅基电子芯片集成。目前业界普遍的解决办法无外乎两种。一种是将III-V族与硅以各种方式的异质键合或粘合式的集成,另一种是在硅上直接生长发光材料,如在硅上直接生长量子点或纳米线的做法。我上面提到,二维材料与硅的集成是一个新的方法,三年前我们用全硅的工艺做出的硅纳米臂激光腔,贴上一层二维材料,即可制成硅基激光,但这种二维材料与硅的集成还处于实验阶段。


关于国内外的差别,有很多方面。我主要谈一下近几年我在国内做光电器件的一些片面的感受。目前在国内做光电器件难度很高。比如我想做一个普通的三五族半导体激光器,从芯片到器件要完整地做一遍,在北京好像只有一两家能做。在北京其它大学,不同的工序我们需要跑几个不同的系或中心,经常有些工序要去科学院的物理所、半导体所或国家纳米中心等,需要跑很多单位,而且不同的工序或单位彼此之间还要协调和单独预约,这样整个流程下来基本需要几个月甚至半年。而同样的事情在美国许多研究型大学的一个超净间就可以全部完成,比如几年前我在亚利桑那州立大学时,整个过程在几周内就能够全部完成。另外,国内的平台基本上不能自己做,这样无法积累工艺经验和配方,无法培养学生。国外许多研究型大学都有自己的平台,博士生经过培训后可以使用超净间的所有设备。这几年国内有一些大学也开始慢慢购置建设平台,但规模和使用的普遍程度与国外相比还是相差甚远。因此,我认为国内在光电器件领域主要面临的挑战有两个,一是缺乏系统完备的平台,二是需要注重纳米加工人才的培养,让学生能自己动手学会操作各种设备平台。


6、记者:您先后在德国斯图加特大学、柏林工大,美国亚利桑那大学,美国国家航空航天总署,日本东京大学,清华大学等海内外科研机构学习工作,请问这些机构给您留下的不同印象是什么?您觉得中国和海外的高等教育各自的优缺点是什么?您认为在做科研方面有海外经历的青年学者比中国本土培养出来的科研人员更有优势么?


宁存政:我去过很多国家,也在有意识地观察、学习、总结不同国家的人做事的风格和特点。我在德国、美国都呆过很长的时间,曾在日本东京大学做过3个月的访问教授。在与这些国家的学者合作过程中,我发现德国和日本人做事非常仔细,非常严谨,非常扎实和深入。比如说,有一次我和日本东京大学的学生讨论分析数据时,我发现他们几乎把所有能够想到的实验都做了,而且做得很细致。再比如我们要做一个荧光变温的实验,就是在4K到300K之间测半导体的荧光,国内的学生可能就只做4K,20K,50K,100K大概8~10个点。但是德国人和日本人会做几十个点,做完之后,不用画线,那些数据点自动连成一条线,任何新的特征或异常都不会漏掉。


再就是国外学校的博士生很努力,我发现越好的学校,学生越努力!有点像鸡和蛋的关系,不知道是因为学生努力,他们学校才变得有名,还是因为学校有名,因而才招来了努力的学生。比如麻省理工学院、加州理工大学、哈佛大学、伯克利大学的学生既聪明又努力。国外优质学校的博士生每周工作大概在60-80个小时,我在国内的小范围做过不全面的调查,大概在40多个小时。我跟很多学生常说,除非你的效率、智商、能力比哈佛和MIT的学生更高,不然你凭什么想花费别人60%-70%的时间,去跟他们竞争呢?


我经常跟我的学生说,成功和失败常常并不取决于谁更聪明,而是取决于谁更努力。我见过很多不是最聪明却成功的人,也见过很多非常聪明却失败的人,还没见过仅凭聪明无需努力的成功者。关于各个国家的情况,德国日本以严谨细致而著名,日本大学水平相差较大,德国的大学水平很一致,有人这么说,德国的任何一个大学,如果有人得诺贝尔奖了都不要惊奇,而这在很多其它国家是不可能的。所以德国大学生上学很多是就近上,或者根据有无某个专业决定,很少是因为某个大学更有名或排名高而选择。美国的大学水平像美国的社会一样,天地之间连续变化。美国人可能不如德国、日本那样注重严谨,但他们很注重新奇和创新。


关于是否一定要有海外经历,或者说海外留学归国的一定比本土培养的有优势,我觉得不一定。随着时间和国内对科研投资的增加,国内外的条件差别越来越小。如果说20、30年前,国内与国外还存在信息、硬件等不对称问题,但是现在这种不对称问题已经消失或者说在逐渐缩小。现在剩下的主要问题是理念、态度以及判断与鉴赏能力,判断什么是重大的值得做的问题,而不是一味跟着赶时髦。还有就是研究气氛和风气,比如说影响因子和引用率的问题,这些现在已经污染了全世界的指标,在国外要相对好多了,国内可能是全世界最重视这些指标的地方。我在国外参加过很多国家包括美国,欧洲和亚洲的一流大学晋升教授的评审,国外好的大学的晋升主要还是看你做出过哪些重要的贡献,不管是在科学、技术还是工程上,在本领域世界范围内的地位、声誉和影响。在什么杂志发什么文章,引用多少是次要的。所以我觉得国内外目前主要的是这些“软”的方面的差别。


清华大学电子系“纳米光电子物理及器件“研究小组合照(第二排左二)


7、记者:基于您的科研经历中,有哪些心得体会?您对在科研道路上或者即将走上工业道路的国内光电学子,有什么寄语和建议?


宁存政:不管将来要从事科研还是走向工业界,我认为最重要的是一个人分析、解决问题的能力、方式和方法以及做事情持之以恒、坚韧不拔的精神。比如说有些学生毕业后想去工业界,甚至个别可能想去软件公司,那么在学校学的一些专业知识可能不一定用得上,但解决问题的能力和思维方式是相通的。当然如果你对自己以后的选择有比较清楚的想法,也可以事先在研究生阶段及早准备。我在德国时有一件事给我留下了深刻的印象,当时博士生毕业后找工作,公司其实不太关心你在博士期间具体做了什么样的研究工作,他更在乎的是你的思维方式、做事风格、解决问题的能力以及特点。比如,我们当时研究组里有一位同事,在博士期间做固体中电子输运,他毕业后去了奔驰公司,从事的工作是发动机里面的燃烧效率问题,这与他博士期间研究的方向完全不同。对于有志于继续在大学和研究单位继续从事前沿研究的,我的建议是尽量多想一些这辈子能解决哪些别人解决不了的问题或能做出什么样的贡献,少想些短期的引用率或影响因子。另外是坚持在选定的方向上长期工作,不要追赶一时的风头和时髦,要有把自己做成某个方面最好的专家的决心和为此长期奋斗的坚持。


宁存政教授荣获“科学中国人(2016)年度人物”并参加典礼

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