在我國航天事業(yè)邁向星辰大海的征途中，高水平空間紅外探測技術(shù)是核心能力，也是西方長期封鎖的關(guān)鍵領(lǐng)域。三十余年深耕紅外物理基礎(chǔ)研究，在無人區(qū)開辟新路，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員陸衛(wèi)從意氣風發(fā)的青年學(xué)者成長為獨當一面的學(xué)科帶頭人，也讓中國的空間紅外探測“看得清”更能“分得清”目標。
陸衛(wèi)帶領(lǐng)團隊聚焦我國空間紅外遙感與探測的底層機理問題，成為圍繞國家重大目標進行有組織基礎(chǔ)研究的典范。他以空間紅外探測器的基礎(chǔ)研究為具體領(lǐng)域，開創(chuàng)了一條 “國家重大需求牽引基礎(chǔ)研究，基礎(chǔ)突破驅(qū)動顛覆性應(yīng)用”的螺旋式上升創(chuàng)新路徑。他以原始創(chuàng)新策源力推動紅外探測范式更迭，沖破了封鎖，實現(xiàn)了我國在該領(lǐng)域的自主發(fā)展。
陸衛(wèi)（左）和同事王文娟研究員交流近紅外單光子探測器的進展和應(yīng)用 本文圖片均為上海技物所供圖
從“小說迷”到“科研人”
陸衛(wèi)與紅外物理的緣分，始于少年時代。
20世紀70年代，還在讀中學(xué)的陸衛(wèi)就被《珊瑚島上的死光》《第二次握手》等科幻作品深深吸引。1979年，懷揣科學(xué)夢想的他考入復(fù)旦大學(xué)物理系激光專業(yè)，開始了系統(tǒng)的物理學(xué)學(xué)習(xí)。1983年，他進入中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，而研究所的紅外物理國家重點實驗室正是中國科學(xué)院首批開放實驗室之一。陸衛(wèi)師從著名物理學(xué)家沈?qū)W礎(chǔ)，在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和自身的刻苦鉆研下，他展現(xiàn)出過人的科研潛力，先后在《物理評論》等國際權(quán)威期刊發(fā)表論文。
當時，國際學(xué)術(shù)界普遍認為物理學(xué)的黃金時代已經(jīng)過去，學(xué)界內(nèi)部也彌漫著茫然、失落的情緒。但陸衛(wèi)認為，物理學(xué)是為其他工程、技術(shù)學(xué)科提供根基的基礎(chǔ)學(xué)科，重要性不可替代，尤其是在支撐國家戰(zhàn)略技術(shù)方面。這種信念，也為他后續(xù)堅持從最底層的物理原理出發(fā)解決國家重大工程難題奠定了思想基礎(chǔ)。
1988年，陸衛(wèi)博士畢業(yè)后受導(dǎo)師推薦，前往德國布倫瑞克技術(shù)大學(xué)深造，而在臨行前他便立下承諾：學(xué)成必歸國。在德期間，他爭分奪秒投入研究，即使是周末或別人休息的時間，只要實驗室開放，他都會泡在里面埋頭工作。這份專注也終獲回報，他的研究實現(xiàn)了對霍爾丹教授諾貝爾物理學(xué)獎核心成果“Haldane 猜想”的光譜學(xué)實驗驗證，相關(guān)成果發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊《物理評論快報》上。
1991年留學(xué)結(jié)束，陸衛(wèi)毅然回國?！拔覐膰饬魧W(xué)回來，充分感受到國內(nèi)實驗室為我們年輕人創(chuàng)造了最好的條件，讓我們?nèi)_去拼。在這里搞科研，我有當家作主的感覺。中國正在奮發(fā)圖強，希望我的科研成果能為國家所用，這樣才不枉國家對我們的培養(yǎng)?！被貒蟮年懶l(wèi)迅速展現(xiàn)出領(lǐng)軍人才的擔當，目光很快鎖定在我國空間紅外探測亟待解決的核心瓶頸上，開啟了以基礎(chǔ)研究服務(wù)國家需求的攻堅之路。
陸衛(wèi)（右一）和同事翁錢春、李寧研究員交流超分辨紅外近場納米熱成像研究進展
讓我國的衛(wèi)星真正“看清”“看透”
空間紅外探測器是衛(wèi)星的“眼睛”，而面對西方嚴格的技術(shù)封鎖，陸衛(wèi)充分認識到僅僅模仿是不夠的，必須從最底層的物理原理進行突破。技術(shù)面臨的瓶頸已經(jīng)不是工藝問題，而是基礎(chǔ)原理決定了“天花板”的位置。他帶領(lǐng)團隊心無旁騖地攻關(guān)，解決“卡脖子”技術(shù)，沖破物理極限，闖進無人區(qū)。
在這一過程中，團隊實現(xiàn)了二次重大的跨越。首先是攻克“暗電流”，解決“看不清”的難題。我國航天應(yīng)用迫切需要高靈敏度的長波紅外探測器，但其性能長期受制于一個世界難題——“暗電流”。在完全黑暗的環(huán)境中拍照，相機傳感器本應(yīng)接收不到任何信號。但由于材料內(nèi)部電子的熱運動，傳感器自身會產(chǎn)生虛假信號，就像老電視上的“雪花點”，而這便是所謂的暗電流。在探測遙遠、微弱的紅外信號時，這種內(nèi)部噪聲很容易淹沒真實信號。
為了“關(guān)掉”這些噪聲，陸衛(wèi)從半導(dǎo)體異質(zhì)界面的物理學(xué)基礎(chǔ)出發(fā)，創(chuàng)新性提出了“電子局域化操控”理論。他首次在實驗中觀測到了半導(dǎo)體中經(jīng)電場加速后的熱電子溫度，揭示了局域化電子準絕熱輸運的機理，突破了傳統(tǒng)的能量耗散焦耳定律限制。這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)啟發(fā)陸衛(wèi)提出了被稱為第四類躍遷的量子結(jié)構(gòu)紅外探測新模式，并帶領(lǐng)團隊研制出量子阱長波紅外焦平面器件。該器件的暗電流性能（即內(nèi)部噪聲水平）優(yōu)于美國Landsat-9衛(wèi)星所用同類探測器一個量級以上，靈敏度實現(xiàn)了數(shù)倍的超越。2020年，該器件成功應(yīng)用于我國新技術(shù)試驗衛(wèi)星G星，實現(xiàn)了我國高性能量子結(jié)構(gòu)的紅外探測器在航天應(yīng)用的起步。
而解決了“看不清”的問題之后，第二次跨越便指向“分不清”的難題，也就是在探測過程中不僅要看到物體的形狀（幾何成像），還要分辨物體的成分（光譜成像）。光譜就像是物質(zhì)的“指紋”，通過分析光譜可以精確地識別物質(zhì)成分。但在長波紅外波段，地球和大氣環(huán)境存在很強的背景輻射，這使得探測器很容易“過曝”，導(dǎo)致靈敏度達到極限。這樣的“背景限制”，是由普朗克定律決定的紅外領(lǐng)域根本性難題。
量子阱探測器組件
“他山之石，可以攻玉?！睘槠平膺@一強背景抑制難題，陸衛(wèi)將其他科研領(lǐng)域提出的“臨界耦合”概念應(yīng)用于紅外器件的研制，提出光子與電子聯(lián)合操控的學(xué)術(shù)思想，建立了抑制背景光電流的“臨界耦合模式”。量子器件原來吸收率低的問題卻為“臨界耦合”提供了可能，反而成為優(yōu)勢所在。通過量子阱電子能級和光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計，這種方式實現(xiàn)了對紅外光與電子躍遷耦合的精準操控，解決了探測率提升與背景電流抑制之間的基本矛盾。
基于這一創(chuàng)新路徑，團隊成功研制出單片集成56光譜通道的新型紅外焦平面器件，將單片集成的長波紅外光譜通道數(shù)從美國報道的4通道提升了超過一個數(shù)量級以上。該器件應(yīng)用于遙感三十七號衛(wèi)星，用戶評價其應(yīng)用效果為“開創(chuàng)性的突破”，并認為“是我國由航天大國邁向航天強國的重要一步”。
國產(chǎn)自動化紅外材料外延設(shè)備剛剛投入運行，陸衛(wèi)和團隊的喬輝研究員在觀察設(shè)備狀態(tài)
辦公室的門為學(xué)生常開著
“科學(xué)研究要為國家所用。”這是陸衛(wèi)時常掛在嘴邊的話。通過三十余年的實踐，他生動詮釋了“國家重大需求牽引基礎(chǔ)研究，基礎(chǔ)突破驅(qū)動顛覆性應(yīng)用”這一創(chuàng)新路徑的強大力量。要持續(xù)實現(xiàn)這種螺旋式上升的創(chuàng)新，必須依靠有組織的科研力量。通過負責和實施國家基金委創(chuàng)新群體項目等，他建立了一支覆蓋從紅外物理到空間應(yīng)用全創(chuàng)新鏈的跨學(xué)科團隊，成為持續(xù)進行有組織基礎(chǔ)研究的堅實保障。
帶著學(xué)生開展研究的時候，陸衛(wèi)也始終認為，有組織的科研不是把基礎(chǔ)研究用工程化管理的方式來開展，不能一步步地告訴學(xué)生具體要做什么，怎么做?！坝薪M織的科研是指我們定了大方向，我們要朝那去的，但是以什么路徑走過去要各顯神通。只有讓大家各顯神通，才有可能出現(xiàn)顛覆性的事；如果沒有各顯神通的機會，大概很多諾獎就沒了?！标懶l(wèi)說。
這種理念讓陸衛(wèi)的學(xué)生都對團隊的科研氛圍尤為珍視，學(xué)風是嚴謹?shù)?，但同時學(xué)術(shù)環(huán)境是包容的、自由的。大家不會有過重的科研任務(wù)壓在頭頂，而有更大的空間發(fā)揮自己的主觀能動性，嘗試自己感興趣的想法。
作為陸衛(wèi)的學(xué)生，上海技物所的在站博士后金融提到，老師在辦公室的時候門總是常開著，大家有任何問題，或者是有什么項目要討論，就可以走進去進行交流溝通。對學(xué)生而言，這扇開著的門讓他們感到安心和踏實，而對于陸衛(wèi)來說，開著的門是為了降低大家找自己交流的門檻，畢竟“敲門是需要膽量的”。
當然，師生間更多的交流也能夠更好地讓大家活躍思想。陸衛(wèi)依然保持著對前沿科學(xué)高度的敏銳和洞察，并鼓勵學(xué)生做新的嘗試。學(xué)生們會聽到他說“AI前沿，如果我們不去占領(lǐng)的話，就要被別人占領(lǐng)了”“不能抱著自己以前的實驗習(xí)慣和經(jīng)驗，守著老的科研方法，要走出自己的舒適圈，多去探索研究怎么和AI結(jié)合。”
目前，陸衛(wèi)已經(jīng)培養(yǎng)出了56名博士生，他們中有的走向產(chǎn)業(yè)技術(shù)的前沿，有的繼續(xù)深耕科研，成長為國家級的人才。在學(xué)生眼里，有陸老師在，自己便可以義無反顧地撲向科學(xué)前沿，更有決心也更有底氣去探索科研道路上的未知。
