從(cong) 2004年進入北京大學攻讀博士到如今成為(wei) 凝聚態光學領域的知名學者，北京大學物理學院教授、國家傑出青年科學基金獲得者馬仁敏，憑借對科研的執著熱愛和堅忍不拔的毅力，帶領課題組在納米激光研究中取得了一係列重要突破。

馬仁敏近照

他和團隊確證了等離激元納米激光的性能優(you) 勢，提出並實現了魔角納米激光，打破了納米激光隻能實現單個(ge) 或固定陣列相幹激射的局限，成功實現了可重構的莫爾納米激光陣列。2024年7月，馬仁敏課題組在Nature上發表了前沿創新成果《具有原子尺度局域化光場的奇點介電納米激光》。該研究提出了奇點色散方程，構建了在電介質體(ti) 係中突破光學衍射極限的理論框架，並實現了迄今為(wei) 止模式體(ti) 積最小的激光器。

這些研究成果得到了學術界的廣泛認可——

“金屬能否提高激光性能是納米光學領域一個(ge) 長期懸而未決(jue) 的問題……馬仁敏和合作者通過縝密的實驗解決(jue) 了這一問題……實驗結果非常重要，為(wei) 激光的進一步微型化鋪平了道路。”

——Nature Materials專(zhuan) 題報道確證等離激元納米激光性能優(you) 勢的工作

“設計概念極具創新性，同時展現了卓越的器件性能。”

——Nature Nanotechnology專(zhuan) 題報道魔角納米激光工作

“將多個(ge) 激光器組合成一個(ge) 明亮的光源看似簡單，實則極為(wei) 複雜……他們(men) 對莫爾平帶的獨創性應用克服了這一挑戰。”

——Nature專(zhuan) 題報道可重構莫爾納米激光陣列的工作

此外，馬仁敏團隊相關(guan) 成果入選2018美國物理學會(hui) Physics年度重點成果、2018和2020中國光學十大進展、2020中國半導體(ti) 十大研究進展、2020中國百篇最具國際影響學術論文、2024中關(guan) 村論壇年會(hui) 重大成果。馬仁敏於(yu) 2021年獲得第三屆“科學探索獎”，2022年獲得中國光學學會(hui) 王大珩光學獎等。

馬仁敏及團隊所獲得的部分獎項

科學探索之路充滿坎坷，已在該領域取得突出成就的馬仁敏回顧科研求索的曆程，常常會(hui) 從(cong) 那個(ge) 獨守在裝滿零下200多度液氦的鋼罐旁守候“光明”的夜晚講起。

絕處逢生，無數次失敗後的“守得雲(yun) 開見月明”

在北大讀博士期間，馬仁敏參與(yu) 實現了國際上首個(ge) 等離激元納米激光，彼時，等離激元納米激光器件需要冷卻到零下200多度的液氦溫度才能工作。如何攻克室溫激射的世界難題成為(wei) 馬仁敏到加州大學伯克利分校繼續做博士後研究的重要課題。

“有好幾個(ge) 月的時間，我嚐試製備了幾百個(ge) 不同的器件，每天都在實驗室工作到淩晨，但這些器件依然隻能在低溫下實現激射。”

是換個(ge) 賽道重新出發，還是把這個(ge) 關(guan) 口闖過去？馬仁敏選擇了後者。在又一個(ge) 熬到淩晨兩(liang) 三點鍾的夜晚，實驗終於(yu) 出現了轉機——

依然是在裝著零下200多度液氦的鋼罐旁，已經非常疲憊的馬仁敏挪動了一下實驗台，偶然發現一個(ge) 器件發出的光束異常明亮，這表明該器件性能優(you) 異。這束明亮的光為(wei) 將器件的工作溫度升至室溫帶來了希望。他如獲珍寶，連續實驗數周，分析數據、探尋機理。經過不懈努力，馬仁敏和合作者成功將低損耗、亞(ya) 衍射極限的金屬-絕緣體(ti) -半導體(ti) 表麵等離激元混合模式與(yu) 厚度僅(jin) 為(wei) 光波長十分之一的納米半導體(ti) 薄片結合，製備出了具有高品質因子的表麵等離激元微腔，成功實現了室溫等離激元納米激光。這項成果發表在Nature Materials以後，被MIT Technology Review專(zhuan) 題報道，稱其打破了“等離激元納米激光隻能在低溫下工作”的質疑，為(wei) 等離激元納米激光的實際應用奠定了基礎。

若幹年後，馬仁敏還是常常回憶起那些個(ge) 守在冒著白煙的液氦罐子旁的日日夜夜。“沒有人喜歡失敗，但是要有心從(cong) 失敗中吸取經驗，讓下一次實驗有可能離成功更近一些。”馬仁敏認為(wei) ，每一次看似“幸運”的科研突破背後，總有著無數看不到的艱辛付出，突破瓶頸的重要因素就是堅持長期主義(yi) ，要能夠有足夠的意誌力從(cong) 失敗和挫折中穿越出來，絕處逢生。

跨越極限，實現激光器的“最小”突破

晶體(ti) 管和激光是信息技術中的兩(liang) 大關(guan) 鍵元器件。晶體(ti) 管的微型化推動了電子芯片的飛速發展，目前，最先進的晶體(ti) 管特征尺寸已經達到納米級別。與(yu) 利用電子的晶體(ti) 管相比，縮小利用光子的激光器難度要大很多，對可見和近紅外波段的光子來說，由於(yu) 衍射極限的存在，其體(ti) 積要比晶體(ti) 管中的電子大9個(ge) 量級左右。“壓縮”光子，將激光器的尺寸縮小到晶體(ti) 管的水平成為(wei) 了馬仁敏追尋的科研目標。

馬仁敏指導學生做實驗

馬仁敏介紹道，自1960年激光發明以來，科學家們(men) 一直致力於(yu) 通過時間、空間等維度壓縮光場，以實現更高性能的激光。在時間維度上，極端壓縮光場產(chan) 生了阿秒激光，使得觀測微觀粒子的超快運動成為(wei) 可能，相關(guan) 研究獲得了2023年諾貝爾物理學獎。在空間維度上，極端壓縮光場實現的納米激光有望為(wei) 新一代信息技術和研究強光場局域下的光與(yu) 物質相互作用帶來新的機遇。

近年來，他與(yu) 合作者在納米激光領域取得了一係列突破性成果，其中5篇論文發表在Nature和Science上。2024年7月17日的Nature雜誌上，馬仁敏課題組提出了奇點色散方程，構建了介電質體(ti) 係突破光學衍射極限的理論框架，實現了迄今模式體(ti) 積最小的激光，所發明的奇點介電納米激光將激光特征尺度推進至原子級。這意味著，馬仁敏所孜孜不倦探索的科研目標，在極其微小的空間內(nei) 製造激光並探索其中新奇的物理現象和潛在應用又有了新的突破。

學術界長期認為(wei) 在無等離激元效應的介質體(ti) 係中實現亞(ya) 衍射極限光場限製是不可能的，因為(wei) 這看似會(hui) 違背量子力學中的不確定性原理。馬仁敏課題組的此項成果不僅(jin) 開辟了亞(ya) 衍射極限光學的新途徑，還避免了等離激元效應中金屬材料固有的損耗問題。這被認為(wei) 有望為(wei) 物質科學和生命科學的研究提供全新的工具。同時，相較於(yu) 現有激光，奇點介電納米激光不僅(jin) 能耗更低，還能實現更快的調製速度和更強的光與(yu) 物質相互作用，在信息技術、傳(chuan) 感探測等領域有廣泛應用潛力。

幸遇良師，以傳(chuan) 承報答師恩

馬仁敏很慶幸自己在科學探索的過程中得遇良師。2004年進入北大物理學院的馬仁敏遇到了引領他進入學術生涯的兩(liang) 位恩師：秦國剛院士和戴倫(lun) 教授。從(cong) 入院到2009年博士畢業(ye) ，馬仁敏在兩(liang) 位恩師的關(guan) 懷下迅速成長。“我每周有幸固定同秦老師和戴老師一起討論問題，他們(men) 身上潛心治學、攻堅克難的精神品格深深影響了我。”馬仁敏說道。

2013年馬仁敏與(yu) 秦國剛（右）、戴倫(lun) （左）的合影

老師們(men) 的悉心指導和北大寬鬆自由的學術氛圍為(wei) 馬仁敏在物理世界的探索提供了廣闊的空間。在研究生期間，他先後獲得了北京大學“學術十傑”、葉企孫實驗物理獎、北京大學優(you) 秀畢業(ye) 生、全國優(you) 秀博士學位論文等多項榮譽。他說：“這些獎項是對我在老師們(men) 精心指導下所取得的科研成果的肯定，更重要的是，老師們(men) 的言傳(chuan) 身教讓我在科研過程中深刻體(ti) 會(hui) 到何謂真正的科學鑽研精神。”

讀博期間，馬仁敏開始嚐試研究增益介質材料，遠在美國加州大學伯克利分校的張翔教授是超構材料和納米光子學領域的國際開拓者之一，馬仁敏的研究引起了他的注意，從(cong) 北大畢業(ye) 後，馬仁敏跟隨張翔教授在伯克利做博士後研究。

2014年，馬仁敏與(yu) 張翔（左）的合影

“張老師強調平等與(yu) 質疑的精神，鼓勵學生在學術上與(yu) 老師平等對話，提出問題，質疑權威，培養(yang) 他們(men) 的獨立思考和創新能力。同時，張老師致力於(yu) 創造自由開放的學術氛圍，讓學生大膽探索天馬行空的想法，在學生麵對困難時會(hui) 鼓勵大家堅持下去、不屈不撓。我很懷念當時和大家一起討論甚至爭(zheng) 論學術問題的時光。”據馬仁敏回憶，當時張翔教授的課題組約有50人，博士後和博士生各占一半，每天都會(hui) 有小組討論會(hui) 。“討論到激動大家經常站起來‘手舞足蹈’，用馬克筆在白板上繪圖爭(zheng) 論。”博士後期間，馬仁敏完全沉浸在艱辛卻充滿樂(le) 趣的科學研究中，時間飛快地流逝了5年。

憑借著優(you) 秀的科研成果，馬仁敏收到了數所國外大學的教職邀請，但他還是在接到母校拋來的橄欖枝時毅然選擇回到北大，在最熟悉的地方繼續熱愛的科研工作。為(wei) 了協助他回國後盡快安頓生活、開展工作，他的家人也辭去美國的工作同他一起回到了北京，馬仁敏對家人一直以來對他追求學術理想的理解和支持非常感激。

科研攻關(guan) 的過程充滿艱辛，而正是付出的汗水讓收獲的時刻尤為(wei) 難忘。“今年2月9日是農(nong) 曆除夕，家家戶戶都在團圓迎新，我也正在老家與(yu) 家人團聚。之前我對學生們(men) 說，我們(men) 要爭(zheng) 取在新年前將奇點介電納米激光的研究成果投遞出去。為(wei) 此，我特意在老家購置了一台大顯示器，便於(yu) 春節假期期間與(yu) 學生們(men) 共同完成稿件的最後修改。我們(men) 最終也正是在除夕這天將稿件投給了Nature。”這種孜孜不倦、隻爭(zheng) 朝夕的努力換來了稿件的順利接收，也讓師生們(men) 的付出有了回報。教學相長、共同進步的過程讓馬仁敏更加堅定了成為(wei) 北大教師這一職業(ye) 選擇的正確性。

馬仁敏與(yu) 團隊進行討論

作為(wei) 北大教師，馬仁敏認為(wei) ，回報恩師最好的方式就是傳(chuan) 承科學精神。他說：“在攻讀博士和從(cong) 事博後研究的階段，我有幸遇到了幾位恩師，他們(men) 不僅(jin) 教會(hui) 了我如何進行科研，更以身作則，讓我深刻領悟了潛心治學和勇於(yu) 探索的科學精神。我希望在培養(yang) 學生的過程中，將這種精神傳(chuan) 承下去，鼓勵他們(men) 獨立思考、銳意進取，培養(yang) 他們(men) 對科學的熱愛和責任感。”

目前，馬仁敏的課題組有約20人，學生們(men) 各具特色，他探索著啟智潤心、因材施教中引導學生成長的教學之法。在馬仁敏看來，隨著國家綜合國力的顯著提升以及對科學研究的高度重視，北大這樣的頂尖高校所提供的研究平台已達到國際先進水平，自主培養(yang) 高水平青年科學人才的條件也日趨成熟。

“我們(men) 的學生在學習(xi) 上都具備出色的能力，因此我更注重培養(yang) 他們(men) 的科研方法和科學素養(yang) 。我希望他們(men) 不僅(jin) 具備提出問題和解決(jue) 問題的能力，還擁有百折不撓、持之以恒的科學精神，以及對卓越的科學品質的追求。”馬仁敏說道。歸國10年，他以研究者和教師的雙重身份，帶領年輕的北大科研人勇闖科學的“無人之境”，在探索物理極限的旅途中盡享突破的美感與(yu) 喜悅。