“潛力股”光子晶體牽出“遙科學(xué)”大未來

中科院物理研究所研究員李明是個(gè)“幸運(yùn)兒”，他所負(fù)責(zé)的空間復(fù)合膠體晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，是天宮一號(hào)里唯一的一項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
此刻，李明在北京大后方進(jìn)行緊張的工作；在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心前線，中科院物理所副所長(zhǎng)、載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)空間材料科學(xué)分系統(tǒng)指揮馮稷接受了《科學(xué)時(shí)報(bào)》的專訪。
“潛力股”光子晶體
這項(xiàng)由中科院物理所和中科院空間中心合作承擔(dān)的、由中科院內(nèi)外多家單位參與的實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備體量上雖不及其他的一些“大家伙”，但從未來發(fā)展的前景來看，復(fù)合膠體晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)或能四兩撥千斤。
晶體是材料中的一大類，最常見的就是半導(dǎo)體，如硅。電子在傳輸?shù)臅r(shí)候，會(huì)受到一定限制，這是由晶體本身的能帶結(jié)構(gòu)決定的。由此產(chǎn)生了晶體管，進(jìn)而產(chǎn)生了集成電路，影響到我們今天社會(huì)生活的方方面面。
而光子晶體也有類似的現(xiàn)象。如受光子帶隙的影響，不同能量的光子在光子晶體中傳輸時(shí)會(huì)有不同的傳輸路徑，利用這一點(diǎn)，人們或可以實(shí)現(xiàn)光的開關(guān)，進(jìn)而可研制光的邏輯器件。因此，光子晶體是未來光信息處理的一種潛在的、很重要的材料。
這次天宮一號(hào)上要進(jìn)行的膠體晶體實(shí)驗(yàn)即是以一種光子晶體為研究對(duì)象而設(shè)計(jì)的。目前在國(guó)際上，膠體晶體在自組裝材料領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。但由于重力的作用，光子晶體在地面的實(shí)驗(yàn)研究受到限制。
“當(dāng)復(fù)合膠體晶體由兩種不同粒徑的顆粒組成時(shí)，因大小不同的顆粒受重力影響不同，人們很難觀察到它們固有的結(jié)晶規(guī)律。”
于是，科學(xué)家們把目光瞄向了空間飛行器可提供的微重力環(huán)境。就已公開報(bào)道的情況而言，到目前為止，該類實(shí)驗(yàn)在全世界只進(jìn)行過幾次，包括拋物線飛機(jī)，且以單粒徑實(shí)驗(yàn)為主?！拔覀兣c已有實(shí)驗(yàn)有很大不同，主要體現(xiàn)在有兩種不同粒徑及相應(yīng)形核條件上。所以這次復(fù)合膠體晶體生長(zhǎng)的空間實(shí)驗(yàn)是有一定代表性的?！?BR>對(duì)物理學(xué)家來說，復(fù)合膠體晶體實(shí)驗(yàn)還提供了一個(gè)較為純粹和可控的物理模型，供他們研究分子體系的一些基本物理規(guī)律?！耙虼藦幕A(chǔ)研究講，光子晶體是一個(gè)絕佳的研究對(duì)象；從應(yīng)用角度講，它或?qū)⒖梢灾谱鞒尚阅軆?yōu)良的光子器件?！?BR>給科學(xué)家自由探索的機(jī)會(huì)
馮稷深知，科學(xué)有其不確定性和不可預(yù)見性，尤其是光子晶體這樣極具前沿性的研究，雖然在未來的潛力很大，但畢竟不能取得立竿見影的應(yīng)用。
在中國(guó)載人航天事業(yè)各方面資源都還很緊張的情況下，復(fù)合膠體晶體實(shí)驗(yàn)憑什么能上天？
關(guān)于這件事，專家們也一直在反復(fù)論證。在系統(tǒng)研制階段，中科院空間科學(xué)與應(yīng)用總體部對(duì)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)有一次中期評(píng)估，其目的之一就是考查實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是否仍具有先進(jìn)性。“載人航天任務(wù)周期很長(zhǎng)，可能在中間過程中，別人已經(jīng)把結(jié)果做出來了。只有真正的前瞻性問題，才能帶上天。”
專家們還要同時(shí)考慮天宮一號(hào)兩年在軌時(shí)間、地面是否可控、樣品是否可以反復(fù)使用等等一系列因素。最大限度地滿足條件后，光子晶體實(shí)驗(yàn)才被敲定。
“科學(xué)研究的未知性如何跟載人航天工程很好地協(xié)調(diào)起來，這不是一件容易的事。很感謝國(guó)家和總體部給了我們自由探索的機(jī)會(huì)?！?BR>馮稷自己也很贊同專家們的“謹(jǐn)小慎微”?！拔覈?guó)載人航天空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的漸進(jìn)式發(fā)展模式，一方面是對(duì)技術(shù)的積累，另一方面也是隊(duì)伍的培養(yǎng)，現(xiàn)在走這種有計(jì)劃、有安排、循序漸進(jìn)的道路，將來等我們有了自己的空間站，就有了較好的基礎(chǔ)，空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)不至于從零開始?！?BR>“其實(shí)這些年下來，神舟系列飛船已經(jīng)逐漸把空間科學(xué)幾個(gè)重要的領(lǐng)域都涵蓋了，重要的研究方向和熱點(diǎn)也都包括進(jìn)來了。雖然我們?cè)趯?shí)驗(yàn)規(guī)模上與國(guó)外還有一定差距，但我們現(xiàn)在的戰(zhàn)略和布局是合理的?！?BR>“遙科學(xué)”是大勢(shì)所趨
馮稷最早參與航天工程空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)是在上世紀(jì)90年代初，那時(shí)候通過返回式衛(wèi)星搭載空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材料要等衛(wèi)星成功返回地面后，才能收集起來作進(jìn)一步的觀察和實(shí)驗(yàn)。
不過這次天宮一號(hào)上的膠體晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家已可以通過衍射圖像和相應(yīng)工程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)回傳，觀察到晶體的生長(zhǎng)和變化情況。
這種技術(shù)就是所謂“遙科學(xué)”的應(yīng)用。早在20世紀(jì)80年代，西方發(fā)達(dá)國(guó)家就在發(fā)展這種技術(shù)，通過地面實(shí)驗(yàn)室與空間飛行器間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，科學(xué)家坐在實(shí)驗(yàn)室里就能獲取空間實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和圖像，還能去修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)和過程。
“我們現(xiàn)在的圖像雖然不是實(shí)時(shí)的，但也已經(jīng)能達(dá)到準(zhǔn)實(shí)時(shí)的水平。比如一個(gè)小階段的實(shí)驗(yàn)做完后，我們把數(shù)據(jù)下傳到地面，然后修改參數(shù)后再上傳回去，就可以實(shí)現(xiàn)天地間的交互?！?BR>在馮稷看來，在將來的空間站建設(shè)中，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞且环N重要且有效的手段?！耙郧按罅康姆祷厥綄?shí)驗(yàn)成本太高，將來一定要通過在線操作完成實(shí)驗(yàn)。將來有宇航員上天的時(shí)候，還可以讓宇航員把替換的樣品帶上去，裝置是較為通用的，可以不變，這樣能以較小的代價(jià)取得更多的成果?！?BR>當(dāng)年，晶體管和集成電路技術(shù)都曾經(jīng)帶來過革命性的發(fā)展?，F(xiàn)在，很多人也在期盼著光子時(shí)代的到來。