追那道看不见的光破世界级物理难题——访中科院院士、红外光电子物理学家褚君浩

感知芯视界 2023-09-22 17:19 1159浏览 0评论 0点赞

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63年前，上海徐汇中学一名16岁高中生在笔记本上写下感慨，为没有一条以中国人命名的定律而遗憾，并决心奋发读书、为国争光。

若干年后，这个少年成了那个写定律的人……

编辑：感知芯视界

来源：新民晚报作者：陆梓华

在红外物理领域，他在上世纪80年代提出的CXT公式和吸收系数公式成为碲镉汞材料器件设计的重要依据，至今仍是国际上判断红外探测器新材料、新结构的通用公式。

他就是红外物理学家、半导体物理和器件专家、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员、《红外与毫米波学报》主编褚君浩。CXT公式和吸收系数公式正是以褚君浩（C）、徐世秋（X）、汤定元（T）这三位中国科学家的名字命名的。

图说：褚君浩始终保持着对学习和阅读的热爱本报记者陶磊摄

科研路

1 、成功挑战“不可能的任务”

如今，只要没有外出安排，每天9时左右，褚君浩总会出现在上海市技物所光电大楼4楼的办公室里。

这是间再普通不过的办公室——右侧是会客用的沙发，左侧的一整排沿墙书架被塞得满满当当，后来者就只能被堆放在地上。

屋子的“镇宅之宝”，就和其他书籍、文件、纪念品一起，挨挨挤挤站在书架上。“喏，就是这几本书。”指着几本深蓝色的原版书，褚君浩笑道。

那是全球红外物理领域科研人员的必读书目——其中一本是褚君浩所著的《窄禁带半导体物理学》，作为国际上全面综述窄禁带半导体有关研究成果的第一本专著，被几十个国家的研究机构作为开展相关材料和器件研究的理论依据；另一本，则是国际权威的科学手册《Landolt-Bornstein》，这本拥有120余年历史的科学手册，涵盖了人类科学和技术各领域的基本数据和函数关系，每隔10—15年邀请各领域最有影响力的科学家集中修订，手册含汞化合物部分，就是由褚君浩来编写的。

科学史上，红外光的发现多少带着偶然的成分——19世纪初，英国科学家赫胥尔设计了一个实验装置，将太阳光分解成彩色光带，然后在不同颜色光带中放置温度计，以测量光带中不同色光所包含的能量，再和室内其他位置的温度计进行比较。赫胥尔意外发现，放在光带红光外的温度计，比室内其他温度计的指示值都要高。经过反复实验，他证实了太阳发出的光线中除了可见光外，还有一种看不见的“热线”，由于位于红色光外侧，因而被称之为“红外光”。

褚君浩和红外光的相遇，也是偶然。由于高考语文作文偏题，他和第一志愿复旦大学失之交臂，被上海师范大学录取。然而，这并未影响他从小对物理的喜爱。

1978年，我国恢复研究生考试。中国科学院院士严东生很欣赏机敏好学的褚君浩，便推荐他参加中国科学院上海技术物理所的研究生录取考试。当时，在上海技物所，中国半导体科学和红外技术开拓者之一、著名红外物理学家汤定元已经敏锐地看到，碲镉汞是制备第三代红外光子探测器最重要的材料，也是开展太空探测的基础。因此，他选择以窄禁带半导体碲镉汞作为主攻方向，亲自组建团队开展窄禁带半导体物理基础研究。然而，从本科到毕业后在普陀区梅陇中学当老师，褚君浩始终偏好的是理论物理，这一切，对于当时还是红外物理的“门外汉”褚君浩来说是全新的。求学心切的他想到复旦大学研究生录取考试还要晚半年才举行，便决定去试试。凭借本科学习打下的坚实基础，他自学了黄昆和谢希德的《半导体物理学》，以90分的高分通过了考试，师从汤定元先生，踏上了红外物理科研之路。

汤定元给褚君浩布置的是一项“看似不可能”的任务——测量出碲镉汞红外本征光吸收光谱。这在当时是一个世界级难题，尚无人攻克。要做出碲镉汞红外本征光吸收光谱，首先就需要制备出大量碲镉汞薄样品，来解决如何测量高吸收系数的问题。然而这种样品价格昂贵，指甲盖大小就需要上千美元。令褚君浩感动的是，研究所其他小组在生长这种材料，他们毫无保留地贡献出自己的资源出来，集合一切力量，帮助褚君浩开展从“0”到“1”的突破。

“当时那些样品袋我都保存着。”指了指书柜，褚君浩说。虽然纸袋早已空空荡荡，但却盛满了科研人携手合作的情谊。

图说：褚君浩在技术创新论坛上作报告采访对象供图

2 、带着学生一起向前跑

宇宙苍穹，红外光虽然无法用肉眼看见，但时时刻刻帮助人们洞察世界的真相。照向国之重器，也直抵民生所需。有了它的助力，“玉兔号”月球车和“祝融号”火星车得以睁开“眼睛”，探测星球表面的物质成分；风云卫星能够实时采集数据，为大气做“CT”，追踪台风飘忽不定的轨迹；救援人员能探测山林大火之后哪里还有生命留存……

为了“看见”这道光，更为了让这道光为国为民所用，褚君浩已经奋斗了半个多世纪。他坦言，上世纪80年代初曾有机会赴美攻读博士，且一年的津贴是留在国内的20倍。不过，要转攻其他领域。听取了汤定元先生建议，褚君浩选择了留在技物所。

“红外技术是买不到的。经过几十年自立自强研究发展。从上世纪90年代开始，我们已经不再受技术‘卡脖子’的影响，构建了从基础研究、应用研究到工程应用的独立体系。”褚君浩祖籍江苏宜兴，从小生活在上海，言谈中带着软糯的南方口音，但是，讲到红外技术的发展前景，他的语气铿锵有力。“我们已经能够制备出很好的窄禁带半导体材料，在不同的波段都有很好的性能，并且把这些材料、器件应用于空天科技、风云卫星、火星探测、月球探测等各个领域。”褚君浩打了个形象的比方，“我们已经从跟跑到并排跑，到现在开始部分领跑。”

图说：褚君浩在办公室内工作采访对象供图

而在后辈学生们眼中，褚君浩就是那个定方向的人，跟着他走，总会有收获。因为他总会宽容地说，“如果能证明这个材料不能做，也是一种成果”。

如今也已经成为一名博导的黄志明研究员是70后，他申请的国家发明专利“单色仪分光红外椭圆偏振光谱仪”曾获第五届中国国际发明展览会金奖。很少有人知道，这个课题在开展半年时，差一点因为计算遇到瓶颈而夭折。“褚院士对我说，你回去考虑三天，三天后如果还觉得要放弃，那就放弃。”黄志明说，经过褚院士的点拨和鼓励，课题出现了转机。最终这套红外椭圆偏振光谱仪成为科研人员的手中利器，帮助团队完成了一系列新材料光学常数的测定，也坚定了年轻科研人员在红外物理研究这条路上的决心。

“做，要做到极致。”这是褚君浩对自己和团队的要求。

成长路

爱科学的心是这样炼成的

不做书呆子养成学习好习惯

如今，在华东师大档案馆中，摆放着一张大书桌。这是褚君浩院士一家的回忆。

书桌的抽屉里，藏着童年的蟋蟀罐，藏着1956年“上海市中小学生及自学小组学生体育运动会”跑步比赛第二名的奖牌，藏着不够完美的成绩单，也藏着一个“小调皮”对世界蓬勃的好奇心。

小学时，褚君浩远算不上“学霸”。体育和自然拿了5分（满分），其余科目中，阅读4分、作文4分、写字3分、算术4分，和标准意义上的优等生相距甚远。在他的世界，游戏和运动是绝对主角，放学后的时光属于在丽娃河游泳、登上第五宿舍尖顶讲故事、和伙伴们一起爬树。

“好动手、好动脑、会玩、会运动，广交朋友，不是一个呆子。”若干年后，华东师大附小老校长陈先墀老先生点评了这位当年的学生。陈老先生写道，褚君浩的成功，是因为保持了“纯洁的童心、为大众的初心、科普的热心、对事业的爱心、努力工作的决心”。“我有个很好的习惯，就是上课注意力非常集中，只看黑板、老师和书三个地方，这样放学后就能很快完成功课。”褚君浩自我总结。

图说：褚君浩采访对象供图

读书勤思考写下3万字札记

如今的中学生很忙，忙着做题，忙着补习，以至于忙到没有时间看书。

而中学生时期的褚君浩却写了一份总字数超过3万字的阅读札记。不少段落旁还有他的钢笔手绘图。那是他在徐汇中学读书时，利用课余时间留下的。“我们要争取在最短的时间内，达到在定律的队伍中有我们伟大的中国所发现的（定律）。”年少时的誓言，就写在这个本子里。

字里行间，跃动少年蓬勃的求知欲。从月亮的圆缺、宇宙的起源到电子何以会围绕核作不停的运动，从“无穷点的比较问题或无穷数的比较”到“乒乓球中的削球原理之联想”“人造卫星和天体物理学的将来”，物理、数学、天文等方面的种种问题，都引发了他无穷的探究和推演。

《从近代物理学来看宇宙》《原子物理学》《科学家奋斗史话》《相对论ABC》《门德列也夫的世界观》《普朗克科学自传》《理论物理学大纲》……泛黄的笔记本上，留下科学少年长长的阅读书单。一本巴掌大的特殊“影集”记录了当年爱书人特别的借阅方式——用微缩相机将原版图书一张张拍下，再影印装订起来。

他不仅泛泛而读，更将思考诉诸笔端。他设想，“是否能用一种装置,使我们能观察到声波的传播真实形象。通过一种仪器，把声音的形象在银幕上表现出来……设法看到立体的波。”他引用柳宗元《小石潭记》的名句“伐竹取道,下见小潭,水尤清冽”来形容“发现真理的不可名状的快慰”。在读完笛卡尔的《哲学原理》后，褚君浩写道，“我们要以怀疑一切的眼光来对待一直科学结果，尤其是那些所谓不言而喻的结论。要对于感官所见的对象，完全正确的运用自己的理性而再拼成判断，方能摆脱因外来影响而产生的谬误。”

读大学时，褚君浩给自己起了个笔名，叫“坦牛”。他对人说，这个名字意味着“在平坦的大道上，像牛一样勤奋地工作”。其实他真实的想法是，要当一名像“爱因斯坦”和“牛顿”那样的科学家。

图说：褚君浩在研究生期间进行碲镉汞吸收光谱研究采访对象供图

心底的宏愿，也藏在蓝黑墨水里。在第61段札记中，他写道， “爱因斯坦不是把自己的活动束缚在科学研究工作的狭小天地里的，他深刻地体会到一个科学工作者的研究成果对社会会产生怎样的影响，一个知识分子对社会要负怎样的责任。他期望自己的努力来为人类造福，他热切关心着人类的文明和进步，必是一个平易可亲的人，是一个有正义感，有气节的人道主义者。”

笔记本里，有稿件采用通知，也有退稿单。少年褚君浩喜欢将自己发现记录下来，并向期刊投稿。《蒸汽机的发明是靠个人的“灵感”吗？》《相对-绝对观念的初步探讨》等当年见诸报端的“豆腐块”小文章，至今仍被褚君浩悉心夹在笔记本里。当年的他一定想不到，十五六岁的“胡思乱想”，在时间长河中听到了奇妙的回应。前不久，北京大学教授、博士生导师许进赠予褚君浩一本新书《四色猜想的数学证明》。看到书名的那一刻，褚君浩笑了。他拿出几张文稿纸，标题为“四色问题的研究”，一枚印着“1961年3月10日”的印章意味着这是一份编辑部退稿——当时，褚君浩从“闲书”中读到，数学家们都试图去证实只要用四种颜色填涂一张世界地图，就可以让相邻两个国家之间的颜色不一样。于是，他也试着去验证了一下，向《数学通报》投稿。他怎会料到，关于这个问题，几十年后，数学家们方才找到答案。

找到好伙伴父母言传又身教

大学毕业后，褚君浩到梅陇中学当了一名物理老师。他找到了一群志同道合的伙伴，组建了民间“基本粒子讨论班”，讨论科学问题，撰写科普文章，并请来复旦大学物理系殷鹏程教授当指导教师。在这群年轻人中，朱伟成长为华东师范大学教授，陈良范、冯承天、陆继宗成长为上海师范大学教授，张民生则担任了上海市教委副主任一职。“每周我们就偷偷聚在一个同学家里，或者在谁的办公室里，由一个人负责作一个报告，然后大家讨论。”在褚君浩心里，那段日子虽然“偷偷摸摸”，但激情澎湃。

图说：褚君浩在梅陇中学教书时指导学生做课外科技活动采访对象供图

同时，父母的言传身教对他影响深远。褚君浩的父亲褚绍唐先生是中国著名地理教育家、历史地理学家，是中国第一位地理教育学硕士生导师。儿时，父亲经常带他去虹口公园看星星、看月亮，给他讲天文学知识。在父亲的影响下，褚君浩喜欢自己动手做一些小发明。五年级时，他将两块透镜和一片硬纸板组合在一起，自制成简易的望远镜，这是他第一次通过自己的双手观测浩瀚的星空。

在他的印象里，父亲总是在书桌上伏案读写，在家里与学生们讨论地理学。父亲的一句劝告“不要做池塘表面的浮萍，要做池塘底下痴虎鱼”深深地烙印在他心里。母亲的叮咛，则如同一根“风筝线”般，将他个人的事业和祖国的科技发展紧密相连。1986年3月，褚君浩受邀来到德国慕尼黑技术大学从事研究。两年多的留德生涯结束，他带着先进的研究方法和技术回到技物所。母亲在越洋电话和信件中念叨最多的话，“世界上最好的地方是中国，中国最好的地方是上海，上海最好的地方是华师大208号301”。

院士问答

思维和创新是科研的灵魂

作为一名热心科普的科学家，面对不同的受众，褚君浩总有办法用深入浅出的语言，描述红外光的神奇。他为不同听众群体量身制定科普报告：面对中小学生，他喜欢讲科学家的小故事，激发他们探索科学的兴趣；面对社会大众，他聊科学常识，也聊“物联网”等最新科技动态，解读公众对科学问题、社会现象的疑问；面对公务员、产业界人士以及各行业领军人士，他讲高科技发展趋势，从光电信息获取联系到智慧城市建设，从光电能量转换联系到可再生能源和低碳城市。

因此，他对年轻科研人员，对中小学生都有自己的建议——

问：您最看重青年科研工作者身上哪些特质？

答：思维和创新是灵魂。我经常问学生，“你有什么新的东西加进去？”“你为这个课题做了什么贡献？”是否善于思考、是否有创新能力、是否能提出问题、是否有新的点子，这些决定他的未来发展空间有多大。我现在也在不断学习新的东西，保持思维的活跃度。比如ChatGPT很热门，我也去研究了一下，请它写首描写天气炎热的诗，问它“褚君浩是怎样的人”等问题，看它怎么回答，来分析它的生成内容的特点和优缺点。

科研工作还必须勤奋。科学研究往往需要花时间才能看到成果，在这个过程中，目标一定要明确。

问：作为上海市青少年科学研究院院长，您认为该如何保护孩子们对世界的好奇心，激发他们探索世界的欲望？

答：童年时间保持对万物的好奇心至关重要。如今，孩子们的学业压力大，给他们“留白”的空间又很少。老师不应该把知识点下放，不要把高年级的内容提前灌输给低年级的学生。好的学习方法是做了十道题，把知识点掌握得很牢固，可以灵活运用；笨的学习方法是做一百道题，但不会变通。孩子们应该出于兴趣，自由探索其他知识，而不是被禁锢在以应试为导向的题海中。

问：业余时间，您有些什么爱好？

答：欣赏音乐。我最喜欢的英文歌是“You raise me up”，中文歌是《我和我的祖国》。它们的歌词有着深刻的内涵，每一段都围绕着主旋律重复，但每一次重复又有着变化。这很像我们做科研工作的过程。最近，我也在试着写一个曲子，反映科学家如何克服困难，不断取得突破。