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孫向南（中）指導(dǎo)學(xué)生做實驗,。受訪者供圖

好消息如期而至。近日,，由國家納米科學(xué)中心研究員孫向南團隊牽頭,、多家高校和研究機構(gòu)聯(lián)合申請的國家重點研發(fā)計劃“納米前沿”重點專項獲批立項。

“我也是剛接到獲批通知的,?！彪娫捴校瑢O向南的語氣流露出水到渠成的篤定,，“實際上,，我自始至終都不太擔(dān)心申請結(jié)果,，團隊的成長和壯大是我們爭取這個重點專項的底氣?！?/p>

從連續(xù)數(shù)年沒有論文,、沒有“帽子”、沒有實驗設(shè)備,，在有機自旋電子學(xué)領(lǐng)域“孤軍奮戰(zhàn)”,，到如今得到小同行充分認可，帶領(lǐng)團隊創(chuàng)造有機自旋電子學(xué)領(lǐng)域自旋壽命,、輸運距離等關(guān)鍵參數(shù)的全球最好紀錄并牽頭承擔(dān)重點專項,，孫向南成功穿過了創(chuàng)新的“無人區(qū)”。

有機自旋電子學(xué)：改變未來的信息技術(shù)

今天,，信息技術(shù)的“摩天大樓”高聳入云,，但其發(fā)展的基石仍是電子電荷研究及據(jù)此發(fā)展起來的晶體管器件。隨著晶體管器件的集成度逐步提高,，其發(fā)展也趨近摩爾定律極限：一方面芯片尺寸已接近物理極限,，另一方面集成電路散熱問題越發(fā)凸顯。

“自旋電子不產(chǎn)生熱,，純自旋器件沒有散熱問題,。因此，利用電子自旋構(gòu)建新器件被認為是突破摩爾定律極限,、實現(xiàn)更快運算的有效途徑,。”孫向南說,，“而且,，自旋是量子概念，它在未來量子計算應(yīng)用領(lǐng)域潛力巨大,?！?/p>

自旋電子按材料性質(zhì)可分為無機自旋電子和有機自旋電子。其中,，無機材料較易實現(xiàn)信息的輸運和運算,，但缺陷是需要在極低溫條件下才能工作。比如,，目前的量子計算機要在極低溫條件下運行,。與之對應(yīng)，有機材料可以在室溫下實現(xiàn)信息輸運,，但發(fā)展瓶頸是自旋運算處理極其困難,。正因如此，主流自旋電子學(xué)研究集中于無機材料領(lǐng)域。

“室溫下可工作讓有機電子自旋在應(yīng)用上優(yōu)勢明顯,，若能在自旋運算方面取得關(guān)鍵性突破,，一定會有很好的應(yīng)用前景?！睂O向南說,，“然而，由于有機自旋運算研究非常困難,，國內(nèi)這一領(lǐng)域基本是‘無人區(qū)’,，國際上也尚未取得大突破?！?/p>

年輕氣盛，他選擇挑戰(zhàn)新方向

2016年初,，孫向南在西班牙巴斯克納米科學(xué)中心完成5年博士后研究工作后,，回國加入國家納米科學(xué)中心。

“當(dāng)時年輕氣盛,，想著既然無機自旋和有機自旋研究都面臨挑戰(zhàn),，不如干脆挑戰(zhàn)一個新方向?！睂O向南說,，“而且，有機自旋研究是我的興趣所在,?！?/p>

博士后研究階段，孫向南主要從事無機自旋研究,。他曾優(yōu)化巴斯克納米科學(xué)中心的實驗設(shè)備,，并嘗試用有機分子做了些成果，再加上篤信有機自旋有更廣闊的應(yīng)用前景,，他決定回國組建團隊進行有機自旋電子材料和器件的研究,。

自旋電子學(xué)研究高度依賴設(shè)備，巴斯克納米科學(xué)中心研究無機自旋的儀器大概價值7000萬美元,。組建團隊時,，孫向南才發(fā)現(xiàn)難題不是沒有設(shè)備，而是根本買不到設(shè)備,?！八铝耍揪蜎]有現(xiàn)成的設(shè)備,?！睂O向南說。

所幸，國家納米科學(xué)中心為新加入的研究人員提供了寬松的環(huán)境,，前3年不必考核,。

“入職后很長時間，我基本沒有‘產(chǎn)出’,?！睂O向南回憶說，“我們實驗室的三任主任都給了我足夠多的支持和耐心,?！?/p>

讓孫向南感激的，還有國家納米科學(xué)中心研究員魏志祥等前輩的支持,。第一年,，孫向南獲得國家納米科學(xué)中心80萬元的支持。很快,，中心科技處又協(xié)助他爭取到中國科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項目的資助,。此外，實驗室很多前輩還將他納入自己的項目組,。這使得孫向南在沒有任何“帽子”的情況下,，拿到近400萬元研究經(jīng)費。

有了環(huán)境和資金的支持,，孫向南團隊和儀器制造廠商歷時近3年,，以合作研發(fā)的方式完成了急需設(shè)備的研制。

艱難跋涉,，“萬般約束不如真心喜歡”

除了要考慮儀器設(shè)備從何而來外,，孫向南還要面對有機自旋領(lǐng)域沒有研究目標的茫然。在部分領(lǐng)域,，對參數(shù)進行優(yōu)化就能發(fā)一篇不錯的論文,，但有機自旋研究少有人涉及，缺乏參考范例和可優(yōu)化參數(shù),，甚至連研究方向都不清楚,。

“什么時候能做出眉目，當(dāng)時心里完全沒底,?！睂O向南說，“當(dāng)時的困惑是感覺困難無處不在,，又抓不住它,。可能今天覺得某個方向‘有戲’,，明天又發(fā)現(xiàn)方向是錯的,?！?/p>

在這樣的情況下，孫向南最早的幾個研究生好幾年都沒有發(fā)論文,。孫向南只能“撿起”曾經(jīng)做過的電子器件研究,，指導(dǎo)學(xué)生先發(fā)些器件方面的論文，拿到畢業(yè)證后,，再接著研究有機自旋電子學(xué),。

孫向南的學(xué)生自稱“向南軍團”。他們中的大多數(shù)人選擇畢業(yè)后留在團隊工作,，一些到其他研究機構(gòu)或高校的學(xué)生也堅持從事有機自旋電子學(xué)研究,，這讓孫向南很欣慰。

“可能是因為熱愛吧,，在非常困難的情況下,，我們還是選擇把‘冷板凳’坐‘熱’?！睂O向南說,。

2019年底，轉(zhuǎn)機出現(xiàn)了,。孫向南布局的3個方向露出了一線光明，這讓他和團隊更加努力,。孫向南常年保持每周6天,、每天15個小時的工作強度。對于團隊成員來說,，每天工作十幾個小時是家常便飯,。雖然累，但孫向南和團隊成員樂在其中,，因為這些年,，科研的道路越走越寬。

每當(dāng)遇到困難,，孫向南常想起幾年前的一個場景,。那是2021年2月14日，農(nóng)歷大年初三這天,，孫向南躲在辦公室里修改文章,。審稿人提出的“刁鉆”又關(guān)鍵的問題，困擾了孫向南很久,。

苦思冥想中,，孫向南忽然被一個閃念“擊中”，想到一個巧妙的解決辦法,。他一時間情緒高漲,，想找人傾訴一下，拿起手機一看，卻發(fā)現(xiàn)時間已接近凌晨3點,。興奮難抑的他決定下樓走走,。繞著國家納米科學(xué)中心科研樓走了好幾圈，他逐漸冷靜下來,。抬頭望著辦公室窗前的燈火,，孫向南心生感慨：“萬般約束不如真心喜歡?！?/p>

談及取得的成果,，孫向南說，得益于平臺的支持,，也離不開團隊的支撐,。“這項研究需要有共同奮斗的伙伴,，我們現(xiàn)在發(fā)展得越來越好,，就是因為團隊已成長起來……”

孫向南認為，無機自旋電子和有機自旋電子研究目前都處于基礎(chǔ)研究階段,，未來如果實現(xiàn)科學(xué)上的關(guān)鍵突破并順利推向應(yīng)用,，一定能為信息技術(shù)、量子計算等領(lǐng)域帶來巨大突破,。

（原載于《中國科學(xué)報》?2024-12-18?第4版?綜合）