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陸衛(wèi)研究員與團(tuán)隊(duì)破解紅外探測世界難題。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所供圖

風(fēng)云四號衛(wèi)星搭載的紅外探測器，如同永不疲倦的“熱成像之眼”，穿透厚重云層，精準(zhǔn)捕捉著大氣溫度、濕度的三維分布；嫦娥六號探測器上的紅外成像光譜儀對月壤成分進(jìn)行“指紋級”識別，同時獲取月表影像和數(shù)百個連續(xù)波段的光譜數(shù)據(jù)，為科學(xué)家揭示月殼演化奧秘提供關(guān)鍵證據(jù)……空間紅外探測技術(shù)已成為對地觀測、深空探索和國家安全的關(guān)鍵“天眼”。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從底層物理原理突破，破解了困擾紅外科學(xué)界多年的“暗電流”難題，研制出國際領(lǐng)先的空間紅外量子阱高光譜型焦平面器件，讓中國衛(wèi)星擁有了從太空精準(zhǔn)分析地球物質(zhì)成分的“火眼金睛”。

“科幻迷”顛覆理論破鎖而行，解紅外探測世界難題

20世紀(jì)70年代，《珊瑚島上的死光》《第二次握手》等科幻作品中描繪的科學(xué)世界，讓年少的陸衛(wèi)心馳神往。1979年，他懷揣科學(xué)夢想考入復(fù)旦大學(xué)物理系激光專業(yè)，開始了系統(tǒng)的物理學(xué)學(xué)習(xí)。

1983年，陸衛(wèi)進(jìn)入中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，師從著名物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士沈?qū)W礎(chǔ)。在當(dāng)時“物理學(xué)黃金時代已過”的普遍論調(diào)下，陸衛(wèi)堅(jiān)信：“物理學(xué)為工程與技術(shù)學(xué)科提供根基，其重要性不可替代，尤其是在支撐國家戰(zhàn)略技術(shù)方面。”這種信念，奠定了他一生堅(jiān)守基礎(chǔ)研究、服務(wù)國家需求的思想基石。

1988年，陸衛(wèi)獲德國洪堡基金資助赴德深造。臨行前，他立下“學(xué)成必歸”的承諾。在德期間，他爭分奪秒地工作，研究成果實(shí)現(xiàn)了對諾貝爾獎核心成果“Haldane猜想”的光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)表于《物理評論快報》。1991年，他婉拒國外優(yōu)厚待遇，如期歸國。

“我從國外留學(xué)回來，充分感受到國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室為我們年輕人創(chuàng)造的好條件，讓我們?nèi)_去拼。在這里搞科研，我有當(dāng)家作主的感覺。”陸衛(wèi)回憶道，“中國正在奮發(fā)圖強(qiáng)，希望我的科研成果能為國家所用，這樣才不枉國家對我們的培養(yǎng)。”

回國后的陸衛(wèi)迅速展現(xiàn)出領(lǐng)軍人才的擔(dān)當(dāng)，入選上海市首批“啟明星計(jì)劃”。他將目光鎖定在我國空間紅外探測亟待解決的核心瓶頸上，開啟了以基礎(chǔ)研究服務(wù)國家需求的攻堅(jiān)之路。

空間紅外探測器是衛(wèi)星的“眼睛”，但長期以來，我國航天應(yīng)用迫切需要的高靈敏度長波紅外探測器，性能受制于一個世界難題——“暗電流”。

陸衛(wèi)說：“暗電流就像在完全黑暗的環(huán)境中，相機(jī)傳感器自身產(chǎn)生的‘雪花點(diǎn)’噪聲。在探測遙遠(yuǎn)星體微弱的熱信號時，這些內(nèi)部噪聲會徹底淹沒真實(shí)信號，導(dǎo)致‘看不見’或‘看不清’。”

面對西方的技術(shù)封鎖，陸衛(wèi)認(rèn)識到，模仿是不夠的，必須從最底層的物理原理進(jìn)行突破。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開啟了“國家需求牽引基礎(chǔ)研究，基礎(chǔ)突破驅(qū)動顛覆性應(yīng)用”的螺旋式上升創(chuàng)新路徑。

從半導(dǎo)體界面電子態(tài)的物理學(xué)基礎(chǔ)出發(fā)，陸衛(wèi)提出了“電子局域化操控”理論。他的團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中觀測到半導(dǎo)體溝道中經(jīng)電場加速后的熱電子溫度，揭示了局域化電子的準(zhǔn)絕熱輸運(yùn)機(jī)理，突破了傳統(tǒng)的能量耗散焦耳定律限制。

這項(xiàng)基礎(chǔ)研究的顛覆性發(fā)現(xiàn)，發(fā)表于國際期刊《科學(xué)》。更重要的是，它啟發(fā)陸衛(wèi)提出了被稱為第四類躍遷的量子結(jié)構(gòu)紅外探測新模式，并指引團(tuán)隊(duì)成功研制出量子阱長波紅外焦平面器件，其核心性能指標(biāo)——暗電流水平優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，為我國空間紅外探測安上了一雙“明眸”。

服務(wù)國家重大需求，把論文寫在浩瀚星河

“科學(xué)研究要為國家所用。”是陸衛(wèi)常掛在嘴邊的話。陸衛(wèi)團(tuán)隊(duì)的研究成果，不僅發(fā)表在高水平學(xué)術(shù)期刊上，也不僅體現(xiàn)在分別獲得國家自然科學(xué)和技術(shù)發(fā)明二等獎上，更在我國多項(xiàng)重大航天工程的成功應(yīng)用中得到價值實(shí)現(xiàn)。

解決了“看得清”的問題后，國家對空間遙感提出了更高的要求：不僅要看到物體的形狀，還要分辨物體的成分。

陸衛(wèi)團(tuán)隊(duì)又向下一個目標(biāo)邁進(jìn)——讓衛(wèi)星不僅能成像，還能分析目標(biāo)的物質(zhì)成分。這就需要實(shí)現(xiàn)高光譜探測，相當(dāng)于給衛(wèi)星的“眼睛”配上“超靈敏的化學(xué)分析嗅覺”。

團(tuán)隊(duì)再次從物理源頭創(chuàng)新，巧妙地將微納光子結(jié)構(gòu)與量子阱探測器深度融合。這如同在每一個探測像元上刻制了納米“光漏斗”，能將微弱的紅外信號高效“聚集”和“濃縮”，極大提升了探測靈敏度。根據(jù)專利數(shù)據(jù)，該技術(shù)讓探測器在13.0-15.2微米波段的響應(yīng)率提升了5.3至12.3倍。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成功研制出國際領(lǐng)先的空間紅外量子阱高光譜型焦平面器件。這項(xiàng)技術(shù)讓我國衛(wèi)星擁有了在全球范圍內(nèi)精準(zhǔn)識別、定量分析溫室氣體（如二氧化碳、甲烷）排放的獨(dú)特能力，為我國在全球氣候變化話語權(quán)的博弈中提供了全球觀測的數(shù)據(jù)支撐。

2020年，量子阱長波紅外焦平面器件成功應(yīng)用于我國新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星G星，實(shí)現(xiàn)了我國高性能量子結(jié)構(gòu)的紅外探測器在航天應(yīng)用的起步。團(tuán)隊(duì)還成功研制出單片集成56光譜通道的新型紅外焦平面器件，應(yīng)用于遙感三十七號衛(wèi)星，光譜通道是美國Landsat-9衛(wèi)星上同波段的同類器件的10倍以上，被認(rèn)為“是我國由航天大國邁向航天強(qiáng)國的重要一步”。

作為學(xué)科帶頭人，陸衛(wèi)非常注重人才培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)。他建立了一支覆蓋從紅外物理到空間應(yīng)用全創(chuàng)新鏈的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。“跨界對于基礎(chǔ)研究的突破非常重要。有組織的科研各顯神通才能出現(xiàn)顛覆性突破。”陸衛(wèi)表示。

面向未來，陸衛(wèi)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始布局新一代紅外探測技術(shù)的研究。他們將探索更加先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)和新材料體系，進(jìn)一步提升探測器的性能和可靠性，為我國的深空探測事業(yè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。