他四年磨一“材”，只為做出最靈敏的紅外探測器
自然界中電磁波的波譜范圍非常廣，人眼可見光的波長在0.3微米到0.8微米之間，只占電磁波波譜中很小的一部分。而僅僅是這一部分光波，就能讓人類感知到五彩繽紛、變化莫測的大千世界。
在可見光之外，還有很多人類用肉眼看不到的光，即不可見光。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師王肖沐研究的，就是不可見光中的紅外電磁波。
前段時間，2019年度“求是獎”揭曉。因在紅外光子學(xué)領(lǐng)域作出的突出貢獻(xiàn)，王肖沐捧起了該獎證書。
尋找最便宜的半導(dǎo)體材料
根據(jù)波長，紅外電磁波可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外等波段。王肖沐的工作，主要圍繞中紅外波段展開。
在結(jié)束了劍橋大學(xué)和耶魯大學(xué)的博士后研究工作后，2016年年底，王肖沐回國加入南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院。
“來到南京大學(xué)后，我的工作主要是研制中紅外探測器。而找到性能優(yōu)越、價格低廉、加工方便的半導(dǎo)體材料，是研制出該探測器的關(guān)鍵。”王肖沐說，紅外探測器價格非常昂貴，主要就是因為半導(dǎo)體材料成本降不下來。
為了降低半導(dǎo)體材料和探測器加工的成本，王肖沐想到，能否利用硅材料。
“硅是相對便宜的半導(dǎo)體材料，但是硅有一點很大的不足，就是它對紅外光沒有響應(yīng)，那就只能將硅材料和其他材料進(jìn)行集成。”于是，王肖沐想到了他的“老朋友”——黑磷。
“黑磷是我在耶魯大學(xué)做博士后時，就一直在研究的材料。我所在的研究小組，是當(dāng)時世界上最早研究該材料的三個研究組之一。”王肖沐說。
時間回溯至2014年11月。
那時王肖沐在耶魯大學(xué)從事博士后研究工作，他和導(dǎo)師偶然在黑磷中發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典的量子隧穿現(xiàn)象。
在量子力學(xué)領(lǐng)域，量子隧穿現(xiàn)象指的是，電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為。
隨著研究的深入，王肖沐逐漸覺察到，那可能不是量子隧穿，而是彈道雪崩。
王肖沐向記者介紹道，彈道雪崩這種物理機(jī)制，是將量子彈道輸運與雪崩擊穿過程相結(jié)合，使粒子同時具有量子特性和雪崩特性。
此后，王肖沐向《自然·納米技術(shù)》投稿，闡述這一新發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過兩輪審稿，審稿人對此表現(xiàn)出極大的興趣。可令人遺憾的是，因為相關(guān)器件做得不夠干凈，使黑磷發(fā)生氧化反應(yīng)，所以無法準(zhǔn)確闡釋實驗機(jī)理——文章被拒了。
“這項研究雖然很有挑戰(zhàn)，但是我堅信通過努力，這個問題是很有可能被解決的。”此后的2年里，王肖沐不斷進(jìn)行試驗，可始終沒能得到滿意的結(jié)果。
接連失利后陷入自我懷疑
直到2016年回國，這一研究終于有了起色。“研制中紅外探測器，正好能用上之前黑磷的研究成果。”王肖沐說。
2016年10月，去南京大學(xué)入職報道時，王肖沐錯過了招募實驗組成員的最佳時機(jī)。為了成立團(tuán)隊、完成研究工作，他只能從合作伙伴、南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授團(tuán)隊“借”來一個學(xué)生，組建起了最初的研究組。
一個老師、一個學(xué)生，回想起當(dāng)初的艱難，王肖沐開玩笑說“自己團(tuán)隊的風(fēng)格是極簡”。
幾個月后，實驗獲得了突破性進(jìn)展，他們不僅獲得了干凈的界面，還制出了性能優(yōu)異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩場效應(yīng)晶體管。
“可以說，這可能是迄今為止，世界上最靈敏的中紅外探測器件！”王肖沐說。
有了這一進(jìn)展，王肖沐團(tuán)隊這次決定向《自然》雜志投稿。經(jīng)過漫長的審稿過程，令人感到遺憾的是，他們再次被拒。
接連的失敗，曾讓王肖沐一度陷入自我質(zhì)疑，情緒變得有些低落。“我們的實驗，做得非常艱難，有時就連我們自己都開始懷疑，是不是錯了？在現(xiàn)有條件下，還能否獲得實驗數(shù)據(jù)？”他說。
但這樣的狀態(tài)，王肖沐并未持續(xù)很長時間。“如果連我們自己都不相信自己，誰還會相信我們？”他回憶道。
論文再次被拒后的那個春節(jié)，王肖沐和學(xué)生都沒怎么好好過。和家人短暫相聚幾日，他們就匆匆趕回實驗室。假期里大部分時間，他們都一起做實驗、整理數(shù)據(jù)，每天都在無休止地討論、測試，前前后后做出了大概四五十個器件。
今年4月初，實驗組的學(xué)生給王肖沐發(fā)來一張電子干涉圖，上面的信息顯示——實驗終于成功了。當(dāng)時，王肖沐激動地幾乎要跳起來。
“4年前，我肯定想不到，能取得這樣的成果。我們在實驗過程中遇到了各種各樣的問題，如今回想起來，這一切的付出都是值得的。”王肖沐感慨道。
從2014年11月到2018年10月，歷時整整4年，這項成果最終發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上。
