從2004年進入北京大學攻讀博士到如今成為凝聚態光學領域的知名學者，北京大學物理學院教授、國家杰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系列重要突破。
馬仁敏近照
他和團隊確證了等離激元納米激光的性能優勢，提出并實現了魔角納米激光，打破了納米激光只能實現單個或固定陣列相干激射的局限，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，構建了在電介質體系中突破光學衍射極限的理論框架，并實現了迄今為止模式體積最小的激光器。
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長期懸而未決的問題……馬仁敏和合作者通過縝密的實驗解決了這一問題……實驗結果非常重要，為激光的進一步微型化鋪平了道路。”
——Nature Materials專題報道確證等離激元納米激光性能優勢的工作
“設計概念極具創新性，同時展現了卓越的器件性能。”
——Nature Nanotechnology專題報道魔角納米激光工作
“將多個激光器組合成一個明亮的光源看似簡單，實則極為復雜……他們對莫爾平帶的獨創性應用克服了這一挑戰。”
——Nature專題報道可重構莫爾納米激光陣列的工作
此外，馬仁敏團隊相關成果入選2018美國物理學會Physics年度重點成果、2018和2020中國光學十大進展、2020中國半導體十大研究進展、2020中國百篇最具國際影響學術論文、2024中關村論壇年會重大成果。馬仁敏于2021年獲得第三屆“科學探索獎”，2022年獲得中國光學學會王大珩光學獎等。
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歷程，常常會從那個獨守在裝滿零下200多度液氦的鋼罐旁守候“光明”的夜晚講起。
絕處逢生，無數次失敗后的“守得云開見月明”
在北大讀博士期間，馬仁敏參與實現了國際上首個等離激元納米激光，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馬仁敏到加州大學伯克利分校繼續做博士后研究的重要課題。
“有好幾個月的時間，我嘗試制備了幾百個不同的器件，每天都在實驗室工作到凌晨，但這些器件依然只能在低溫下實現激射。”
是換個賽道重新出發，還是把這個關口闖過去？馬仁敏選擇了后者。在又一個熬到凌晨兩三點鐘的夜晚，實驗終于出現了轉機——
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臺，偶然發現一個器件發出的光束異常明亮，這表明該器件性能優異。這束明亮的光為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、亞衍射極限的金屬-絕緣體-半導體表面等離激元混合模式與厚度僅為光波長十分之一的納米半導體薄片結合，制備出了具有高品質因子的表面等離激元微腔，成功實現了室溫等離激元納米激光。這項成果發表在Nature Materials以后，被MIT Technology Review專題報道，稱其打破了“等離激元納米激光只能在低溫下工作”的質疑，為等離激元納米激光的實際應用奠定了基礎。
若干年后，馬仁敏還是常常回憶起那些個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，每一次看似“幸運”的科研突破背后，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，要能夠有足夠的意志力從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
晶體管和激光是信息技術中的兩大關鍵元器件。晶體管的微型化推動了電子芯片的飛速發展，目前，最先進的晶體管特征尺寸已經達到納米級別。與利用電子的晶體管相比，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，由于衍射極限的存在，其體積要比晶體管中的電子大9個量級左右。“壓縮”光子，將激光器的尺寸縮小到晶體管的水平成為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，科學家們一直致力于通過時間、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，極端壓縮光場產生了阿秒激光，使得觀測微觀粒子的超快運動成為可能，相關研究獲得了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新一代信息技術和研究強光場局域下的光與物質相互作用帶來新的機遇。
近年來，他與合作者在納米激光領域取得了一系列突破性成果，其中5篇論文發表在Nature和Science上。2024年7月17日的Nature雜志上，馬仁敏課題組提出了奇點色散方程，構建了介電質體系突破光學衍射極限的理論框架，實現了迄今模式體積最小的激光，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制造激光并探索其中新奇的物理現象和潛在應用又有了新的突破。
學術界長期認為在無等離激元效應的介質體系中實現亞衍射極限光場限制是不可能的，因為這看似會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開辟了亞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。這被認為有望為物質科學和生命科學的研究提供全新的工具。同時，相較于現有激光，奇點介電納米激光不僅能耗更低，還能實現更快的調制速度和更強的光與物質相互作用，在信息技術、傳感探測等領域有廣泛應用潛力。
幸遇良師，以傳承報答師恩
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位恩師：秦國剛院士和戴倫教授。從入院到2009年博士畢業，馬仁敏在兩位恩師的關懷下迅速成長。“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年馬仁敏與秦國剛（右）、戴倫（左）的合影
老師們的悉心指導和北大寬松自由的學術氛圍為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，他先后獲得了北京大學“學術十杰”、葉企孫實驗物理獎、北京大學優秀畢業生、全國優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精心指導下所取得的科研成果的肯定，更重要的是，老師們的言傳身教讓我在科研過程中深刻體會到何謂真正的科學鉆研精神。”
讀博期間，馬仁敏開始嘗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，從北大畢業后，馬仁敏跟隨張翔教授在伯克利做博士后研究。
2014年，馬仁敏與張翔（左）的合影
“張老師強調平等與質疑的精神，鼓勵學生在學術上與老師平等對話，提出問題，質疑權威，培養他們的獨立思考和創新能力。同時，張老師致力于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，在學生面對困難時會鼓勵大家堅持下去、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，博士后和博士生各占一半，每天都會有小組討論會。“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論。”博士后期間，馬仁敏完全沉浸在艱辛卻充滿樂趣的科學研究中，時間飛快地流逝了5年。
憑借著優秀的科研成果，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。為了協助他回國后盡快安頓生活、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。
科研攻關的過程充滿艱辛，而正是付出的汗水讓收獲的時刻尤為難忘。“今年2月9日是農歷除夕，家家戶戶都在團圓迎新，我也正在老家與家人團聚。之前我對學生們說，我們要爭取在新年前將奇點介電納米激光的研究成果投遞出去。為此，我特意在老家購置了一臺大顯示器，便于春節假期期間與學生們共同完成稿件的最后修改。我們最終也正是在除夕這天將稿件投給了Nature。”這種孜孜不倦、只爭朝夕的努力換來了稿件的順利接收，也讓師生們的付出有了回報。教學相長、共同進步的過程讓馬仁敏更加堅定了成為北大教師這一職業選擇的正確性。
馬仁敏與團隊進行討論
作為北大教師，馬仁敏認為，回報恩師最好的方式就是傳承科學精神。他說：“在攻讀博士和從事博后研究的階段，我有幸遇到了幾位恩師，他們不僅教會了我如何進行科研，更以身作則，讓我深刻領悟了潛心治學和勇于探索的科學精神。我希望在培養學生的過程中，將這種精神傳承下去，鼓勵他們獨立思考、銳意進取，培養他們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臺已達到國際先進水平，自主培養高水平青年科學人才的條件也日趨成熟。
“我們的學生在學習上都具備出色的能力，因此我更注重培養他們的科研方法和科學素養。我希望他們不僅具備提出問題和解決問題的能力，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喜悅。
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