2006年度:介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用
发布时间:2015-11-25 13:38

介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用

2006年度国家自然科学奖一等奖

 

一、项目概况

本项目第一完成人闵乃本于1986年提出了“介电体超晶格”的概念,组建团队开展研究,将准晶结构引入介电体超晶格, 建立了“多重准位相匹配理论”,发明了室温图案极化新技术,研制出能同时产生多种颜色激光的准周期超晶格和全固态红、绿、蓝三基色和白光激光器样机; 在介电体超晶格中,在光频波段,发现了非线性切伦科夫辐射、弹性散射和非弹性散射,将拉曼散射强度增强了4-5个数量级;发展了多波动力学理论,预言了全新的光学双稳机制; 在微波波段,发现了光波与超晶格振动间的强烈耦合,提出了“离子型声子晶体”的概念和微波吸收新机制;发展了微波近场显微术表征介电体超晶格的新方法;在声频波段,揭示了超声波在超晶格中激发与传播规律,研制成高频超声器件,填补了超声工程中体波器件从几百-几千兆周的空白频段。上述成果分别入选科技部1998年度、1999年度和2007年度我国基础研究十大新闻,教育部1999年度和2001年度中国高校十大科技进展。20多年的努力使得介电体超晶格从冷门变成国际热门领域,并在光电子学、声电子学、材料科学的交叉领域中催生了称为“畴工程学”的新学科。这一成果于2006年获国家自然科学一等奖。

二、获奖后的主要进展

2006年获奖后,本项目主要完成人又成功将超晶格引进量子光学领域并率先研制出基于介电体超晶格的集成光子芯片,其纠缠光子产率、电光调制速率和功耗等指标都远超过国外最好研究组同期研制的硅基光子芯片,是固态量子芯片研究的重要突破; 将声学超晶格拓展至声子晶体,首先预言了声学双折射和声二极管效应;设计出新型光子芯片,初步实现了光的单向无反射传输,拓展了光子晶体及传统超构材料的研究领域;研制出光学超晶格高功率、可调谐中红外激光器系统,满足了国家对1.5-5.0微米中红外波段激光的重要需求;与著名光通信企业合作,研制出单片集成多波长激光阵列,可望在大规模光子集成、新型无源光网络系统等领域得到应用,目前已开展产业化探索;此外,他们还在新型液晶和光纤器件等方面做出了不少创新性成果。无论是在研究范围的拓展、研究内容的深入、获得成果的质量和数量、国际交流和学术影响等方面,获奖后均有了进一步的提升。

本项目除了五位主要完成人,还有若干其他成员,如陈延峰、王振林、王慧田、何京良等亦做出了重要贡献。他们不仅取得了创新成果,而且形成了一支团结和谐的创新团队,曾二次获国家基金委创新团队称号,拥有二支教育部创新团队,培养出4名长江学者计划特聘教授、3名国家杰出青年基金获得者,2名973计划首席科学家,1人获何梁-何利奖,3人获香港“求是”杰出青年称号, 2篇全国优秀博士论文, 其中祝世宁于2007年当选中国科学院院士。

获奖后,第一获奖人闵乃本继续担任固体微结构国家重点实验室学术委员会主任和南京大学材料科学研究所所长,领导所在研究团队及平台的战略布局与宏观及重点规划。同时,其团队也进一步发展为若干新一代的现代研究团队,在科研上也不断取得进展。获奖后,闵乃本院士又先后成为2007年度、2015年度(陈延峰等,公示结束)的国家自然科学二等奖获奖人。这样,加上原先参与的2005年度国家自然科学二等奖,闵乃本院士就成为极其罕见的四次获得国家自然科学奖的科学家。他也曾于2007年8月作为全国优秀教师代表于中南海受到时任总书记胡锦涛等中央领导的亲切接见。

除闵乃本院士,其他项目完成人在科学研究方面也持续取得进展。

第二完成人朱永元主要是继续围绕介电体超晶格材料开展深入研究。将线性惠更斯原理推广到非线性,将传统的准位相匹配推广到局域准位相匹配;将线性全息推广到非线性全息:通过二维等离激元晶体实现了巨光学旋转;提出三维等离激元晶体并揭示了其独特的长波光学性质。他还连续承担国家973计划等重要科研任务项目,获聘为南京大学唐仲英特聘教授,获2011年何梁何利科技进步奖。

第三完成人祝世宁在介电体超晶格的物理拓展与技术应用方面开展了卓有成效的研究,他建立了光学超晶格应用于量子光学和量子信息的基础理论;发展了基于光学超晶格的单光子、纠缠光子的制备、分束及多重操控技术;研制出铌酸锂光学超晶格光量子芯片,核心技术指标领先于国际同类硅基光子芯片,处于国际领先水平。他还利用光学超晶格作为核心材料自主研制出一批具有应用价值的新型全固态激光器,并进行产业化推广。成果为打破国外高端激光器对我垄断,解决国家和社会发展重大需求作出贡献。近年来继续在Phys. Rev. Lett.、Nature Photon.、 Nature Commun.等重要刊物发表多篇高水平论文,获得大量科技媒体积极评述,指导学生获选全国百篇优博,有关成果入选 “2008年度中国光学重要成果”奖、饶毓泰基础光学奖、“中国光学重要成果”奖。他还是美国光学学会刊物JOSA B等4种重要刊物编辑或编委。作为大会主席他组织了信息光学与光子学国际会议,发起并持续开展了介电体超晶格相关的两岸学者及学生交流会议,获得科技部“重大科学研究计划”、“重大仪器设备开发专项”、群体项目、重点项目和集成项目支持。他本人现任中科院院士、江苏省科协副主席、江苏省物理学会理事长。

第四获奖人陆亚林在美国工业界学术界有较长期的积累,取得大量研发成果,2008年入选首批国家“千人计划”后加入中国科技大学,先后任材料科学与工程系执行主任、中国科学院能量转换材料重点实验室主任。现任国家同步辐射实验室主任、中国科学院合肥大科学中心领导小组成员、中科院合肥物质科学技术中心副主任、合肥微尺度物质科学国家实验室应用研究中心主任、量子协同创新中心材料与器件部主任等职务。担任科技部量子调控重大科学研究计划项目首席科学家、科技部依托大科学装置重大专项专家组成员,2009年以来连续多次担任中组部、科技部、教育部、科学院各类人才计划、973计划、科学院重大专项评审专家。目前担任NRL、NRL Advance、中国科学(材料)等10多国际杂志的副主编、编委。获奖以来发表100多篇论文,出版4部英文专著(章节)。

第五获奖人陆延青亦在美国工业界工作数年,2006年回国继续于南京大学任教,先后获长江学者、杰青、万人计划领军人才等学术荣誉。他将介电体超晶格的相关学术思想拓展到光纤、液晶体系,研制出系列新颖的微光纤及微结构光纤器件,用于信息探测、传感与在线处理。他还在介电体超晶格光子芯片、液晶光学器件等方面取得不少新的研究成果。近年来在Adv. Mater.、Light、Optica、 Laser Photon. Rev.等刊物发表论文近百篇,申请或授权国内外专利30余项,部分已授权。目前,他任南京大学现代工程与应用科学学院执行院长,兼任美国光学学会Optical Materials Express副主编、中国物理学会液晶分会副主任、九三学社第十三届中央委员、政协江苏省第十届、十一届委员会委员、中国科协八届委员、第十一届全国青联委员、第十二届全国青联常委等社会职务。

在人才队伍建设与科研成果不断积累的基础上,本项目相关的科研基础条件建设亦取得了长足的进展。由闵乃本院士担任学术委员会主任,团队成员陈延峰教授担任主任的固体微结构物理国家重点实验室在列次国家重点实验室评估中始终保持优秀的佳绩。该团队也是教育部认定的人工微结构协同创新中心的核心成员。最近以本项目获奖人及其团队作为骨干成立的其他一些专业性研究中心也在积极地建设发展中。  

总之,本项目获奖以来,在南京大学、科技部、教育部、江苏省等多方支持下,我们在人才培养、科学研究、应用开发、社会影响等方面均取得了显著的成绩,充分显现了国家科技奖励巨大的推动作用。

完成人:闵乃本、朱永元、祝世宁、陆亚林、陆延青


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