在我國空間紅外探測領域,中科院上海技術物理研究所的陸衛研究員是一位極具影響力的人物。他深耕紅外探測領域近四十年,從基礎研究起步,不斷推動紅外探測范式的變革,走出了一條自主創新之路。今年5月29日,“天問二號”從西昌衛星發射中心啟程,開啟為期十年的小行星探索之旅,其上搭載的遠距離測距敏感器核心器件——銦鎵砷雪崩單光子探測器,正是陸衛團隊研發的成果。
空間紅外探測器是衛星的“眼睛”,而探測器芯片則是關鍵的“視網膜”。然而,芯片材料內部電子熱運動產生的“暗電流”噪聲,會淹沒來自遙遠天體的微弱紅外信號,成為制約芯片性能提升的瓶頸。國外雖有消除噪聲的技術,卻對我國進行技術封鎖。1991年,剛從德國深造歸來的陸衛,便投身于這場技術突圍戰,從底層物理原理入手,一干就是三十多年。
一次偶然的機遇,陸衛團隊在電子的強場傳輸和輻射實驗中,發現了一個打破焦耳定律傳統認知的奇特現象。陸衛沒有滿足于發表頂級科學論文,而是深入挖掘這一基礎科學發現,創新性地提出“電子局域化操控”理論,并研制出量子阱長波紅外焦平面器件。這一成果將國際上現有同類器件的靈敏度提升了好幾倍。2020年,該芯片隨我國新技術試驗衛星G星升空,標志著我國首次實現了高性能量子結構紅外探測器的航天應用。
在空間遙感領域,不僅要“看得清”,還要“分得明”。光譜是物質成分的“指紋”,識別光譜可以辨識物體的物質組分。但長波紅外波段的強背景輻射會讓探測器“過曝”。陸衛團隊提出光子與電子聯合操控的思想,建立“臨界耦合模式”,并首次將其應用于長波紅外探測器的研發。最終,團隊成功研制出單片集成56個光譜通道的新型紅外焦平面器件,靈敏度比國際同類產品提升了一個數量級。
作為導師,陸衛非常注重培養學生的探索精神和創新能力。他常說:“壓力我來扛,你們盡管放手探索。”多年來,他培養了56名博士生,讓紅外物理實驗室成為青年人探索科學未知、挑戰技術極限的試驗場。在他看來,“有組織科研”并非按部就班地完成任務,而是明確大方向后的“各顯神通”。因此,他給學生留足了探索空間,不設短期目標,不提具體指標。
陸衛的辦公室門總是敞開的,學生有疑問可以隨時找他討論。他認為,科研靈感轉瞬即逝,便捷的交流能及時化解問題,同時也能吸收學生的新鮮想法,實現雙向滋養。他還鼓勵學生跳出舒適區,跨界借鑒其他領域的經驗。例如,“臨界耦合理論”就是團隊從微波、電子學領域借鑒而來的。
陸衛始終尊重、包容學生在科研方向上的選擇。上海技物所研究員翁錢春回憶,大三時他想從紅外光譜領域轉向半導體量子結構單光子探測器研究,曾擔心導師不同意。沒想到,陸衛全力支持,還幫他協調資源。如今,翁錢春也成為博士生導師,主動效仿陸衛,將這份育人精神傳承下去。
近年來,陸衛意識到基礎研究與產業化的聯動日益緊密,紅外芯片制造工藝的瓶頸愈發突出。為此,他正在打造一個智能化紅外芯片研發平臺,計劃2027年底投入使用。走進平臺,锃亮嶄新的設備正在調試,搬運機器人正將裝有芯片的盒子從一臺設備上取下,送往下一道工序。
陸衛介紹,這里的地面經過專門平整,確保機械臂搬取、運送芯片時的抖動幅度不超過1毫米。團隊還引進機器人傳輸系統,讓芯片全程處于惰性氣體保護的密封空間,就像為芯片打造一個“無菌產房”,保障它“健康出生”。
針對以往出故障“靠經驗、靠試錯”的痛點,陸衛表示,今后要讓數據“說話”:工藝全流程參數,尤其是決定器件質量的界面核心數據,全程都會有AI記錄數據、發現問題、迭代優化。這一變革的終極目標,是讓更多高性能紅外設備“走進百姓家”,推動成本下降,為大眾日常生活賦能。
陸衛是我國紅外物理基礎研究專家,長期致力于紅外物理與半導體光電子學研究。現為國家重大科研儀器研制項目負責人。作為第一完成人,他榮獲國家自然科學二等獎1項(2014年)、國家技術發明二等獎1項(2011年)。他發表SCI論文361篇,他引超過1.5萬次,獲授權發明專利158項,出版《半導體量子器件物理》等專著。