创新科研　与“光”同行——记中国科学技术大学特任教授张尧

　　生活处处都离不开光，我们眼中的世界之所以五彩缤纷，是因为不同物体对不同的光波选择性地吸收、散射、透射和反射的结果。光与物质相互作用可以产生各种光学现象，通过分析研究这些光学现象，可以提供原子、分子及晶体结构等方面的大量信息。那么单个分子是如何在微观尺度上发光以及在光的作用下发生各种不同的光学效应呢？对于分子体系，研究的尺度通常是在纳米量级。纳米指的是一米的十亿分之一，其细微程度相当于头发丝的十万分之一。想要在这样小的范围内研究单个分子的光学行为，实属不易。中国科学技术大学的特任教授张尧，知难而上，正在潜心进行这一领域的研究，为单分子物理化学和纳米光子学这一交叉领域的发展添砖加瓦。

　　坚持科研，奠基无限新可能 在博士期间，张尧加入到侯建国院士和董振超教授带领的单分子拉曼光谱项目小组中开展研究工作。在亚纳米尺度下利用光学手段对单个分子进行化学识别与成像一直是科学界的一个梦想，但由于受到光学衍射极限和表面等离激元局域性不够的限制，之前采用针尖增强拉曼散射技术所能达到的最高分辨率只有5~10nm。张尧与合作者共同研究，经过大量实验与理论分析后，终于通过调控针尖局域等离激元和单分子拉曼散射过程之间的能量共振匹配条件，首次对单个卟啉（H2TBPP）分子实现了具有亚纳米分辨的光学拉曼成像，并对其中的物理机制进行了理论计算和模拟。该成果发表于《自然》杂志并获得业内专业人士的高度评价：“该成果打破了所有的记录，是该领域创建以来的最大进展”“是该领域迄今质量最高的顶级工作”。看似完美的成功需要的是张尧与合作伙伴攻克一个又一个的难关，并一次又一次地实验找到突破瓶颈的方法，最后用成果证明了坚持和付出总会有回报。

　　2014年，在中国科学技术大学获取博士学位后，张尧前往西班牙圣塞巴斯蒂安材料物理中心从事博士后研究工作，合作导师为纳米光学领域著名专家Javier Aizpurua教授。多年的科研经历让他对自己的事业有了更深刻的认识：“我的研究领域是单分子物理化学和纳米光子学的交叉学科，做科研的人都知道交叉学科属于基础研究，通常情况下，我所研究的对象都离实际生活非常远，成果也不会马上就产生实际的应用价值。但作为基础学科，它是一切科研创新的基石，为其他相关学科的发展提供有力支撑和科学依据。”的确如此，科研工作者可以在基础研究的基础上，发挥所长，创新科研。同时，基础科研的过程也是带给人们无限可能与惊喜的过程，与其说基础研究是基础科研学科，不如说是承载着无限科研惊喜的守望者。张尧一直行走在单分子物理化学和纳米光子学研究的路上，然而这过程并非一帆风顺，路上也是布满荆棘，有时更是险象环生。可贵的是，张尧一直没有放弃。他坚信，坚持是一切事物的动力来源，坚持会战胜一切困难，在科研路上采撷到最绚烂的那朵花。

　　除了对单个分子进行直接成像，还可以利用光学手段在亚纳米尺度下来研究分子间的能量转移过程。分子间的能量转移是维系生命及其演化的重要方式，也是实现化学反应、构造分子功能材料的重要手段。研究表明，分子间的高效能量转移可能具有一定的相干性，然而由于受空间分辨的局限，科学界对于这种相干性的形式和特性一直缺乏直接的认识。为了搞清楚这一问题，张尧与合作者通过人工构筑锌酞青染料分子的二聚体结构，对单分子尺度下不同激子能态的偶极耦合模式进行了亚纳米空间分辨的电致荧光成像，并发现局域电子的激发能量会迅速被整个分子二聚体所共有，构成了一个单激子量子纠缠体系。在此基础上，他与合作者进一步构筑了多分子纠缠的分子链结构，并通过研究对应偶极耦合模式的实空间成像特征，提出了实现可调控的电致单光子超辐射荧光的方法。科研的探索是无穷尽的，摸索前进自然无经验可循。在这过程中走过弯路，有过艰辛，但张尧一直坚信：坚持就是胜利。的确，他做到了。

　　除了直接对分子本征的拉曼散射和荧光特性进行研究以外，如何利用光腔与分子之间的相干相互作用来显著改变分子发光体的光学特性从而实现对单分子光响应的人工调控，对于研究和发展基于单分子的量子信息技术和分子传感技术具有十分重要的意义。张尧与合作者利用高度局域化的隧穿电子在经过脱耦合调制的单个分子旁边激发纳腔等离激元，实现了单分子与纳腔等离激元之间的相干相互作用，并观测到了单分子法诺共振效应。单分子法诺共振效应还表现出反常频移现象，通过理论分析，他惊喜地发现单分子与分子借助纳腔等离激元的自相互作用导致的兰姆位移有关，并且高度局域的纳腔等离激元使得兰姆位移效应得到极大增强，从而可以实现高达约3meV的频率移动。“关于兰姆位移，确实是意外惊喜。这也让我明白：在科研的过程中，只要多想一想，凡事多问问为什么，也许就会激发出新的成果，坚持下去就会创造无限可能。”张尧坚定地说。

　　创新科研，与你共青春

　　2018年1月结束博士后研究工作后，张尧回到中国科学技术大学，并入选2019年第十五批国家“千人计划”青年项目，目前就职于中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心。张尧回国就是想为祖国的科研事业贡献出自己的力量，丰富的经历也让他更加坚定了科研的信念。在新的科研道路上，张尧将进一步改进实验体系，完善分析方法，发展新的理论工具，揭示和预测新的物理现象，为深入研究单分子拉曼、单分子荧光、单分子-等离激元耦合等过程提供完备的实验技术手段和理论分析工具，为进一步推动单分子物理化学与纳米光子学交叉领域的发展提供科学基础，做好创新科研的铺路石。同时，张尧还承担着本科生和研究生的部分教学任务。他希望更多的青年人能够加入科研的队伍，与他同行，一路高歌猛进，成就科研事业。与光同行，坚持创新披荆斩棘，助力科研新发展。

　　（责任编辑：李　华）

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