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。南京大學電子科學與工程學院教授、博士生導師王肖沐研究的，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。因在紅外光子學領域作出的突出貢獻，王肖沐捧起了該獎證書。

尋找最便宜的半導體材料

根據波長，紅外電磁波可分為近紅外、中紅外、遠紅外等波段。王肖沐的工作，主要圍繞中紅外波段展開。

在結束了劍橋大學和耶魯大學的博士后研究工作后，2016年年底，王肖沐回國加入南京大學電子科學與工程學院。

“來到南京大學后，我的工作主要是研制中紅外探測器。而找到性能優越、價格低廉、加工方便的半導體材料，是研制出該探測器的關鍵。”王肖沐說，紅外探測器價格非常昂貴，主要就是因為半導體材料成本降不下來。

為了降低半導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，那就只能將硅材料和其他材料進行集成。”于是，王肖沐想到了他的“老朋友”——黑磷。

“黑磷是我在耶魯大學做博士后時，就一直在研究的材料。我所在的研究小組，是當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從事博士后研究工作，他和導師偶然在黑磷中發現了經典的量子隧穿現象。

在量子力學領域，量子隧穿現象指的是，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制，是將量子彈道輸運與雪崩擊穿過程相結合，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》投稿，闡述這一新發現。經過兩輪審稿，審稿人對此表現出極大的興趣。可令人遺憾的是，因為相關器件做得不夠干凈，使黑磷發生氧化反應，所以無法準確闡釋實驗機理——文章被拒了。

“這項研究雖然很有挑戰，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，王肖沐不斷進行試驗，可始終沒能得到滿意的結果。

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，去南京大學入職報道時，王肖沐錯過了招募實驗組成員的最佳時機。為了成立團隊、完成研究工作，他只能從合作伙伴、南京大學物理學院繆峰教授團隊“借”來一個學生，組建起了最初的研究組。

一個老師、一個學生，回想起當初的艱難，王肖沐開玩笑說“自己團隊的風格是極簡”。

幾個月后，實驗獲得了突破性進展，他們不僅獲得了干凈的界面，還制出了性能優異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩場效應晶體管。

“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。

有了這一進展，王肖沐團隊這次決定向《自然》雜志投稿。經過漫長的審稿過程，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？在現有條件下，還能否獲得實驗數據？”他說。

但這樣的狀態，王肖沐并未持續很長時間。“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，王肖沐和學生都沒怎么好好過。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、整理數據，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，實驗組的學生給王肖沐發來一張電子干涉圖，上面的信息顯示——實驗終于成功了。當時，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，這項成果最終發表在《自然·納米技術》雜志上。