“中國牌”晶體的發現及其啟示*

陳崇斌

（浙江師范大學科學教育系，浙江金華 321004）

非線性光學晶體是前沿科學研究和高技術產業應用中一種不可或缺的材料，其重要性堪比人類飲食中的食鹽，雖少但不可被替代。目前，國際上已實用化的優質非線性光學晶體共有4 種，分別是BBO (偏硼酸鋇)、LBO(三硼酸鋰)、KBBF(氟代硼鈹酸鉀)、KTP（磷酸鈦氧鉀），其中KTP 晶體是美國杜邦公司發明的，其余3 種均是中國科學家依據原創理論指導發現的。這3 種晶體，BBO、LBO 在20 世紀90年代被國際學術界譽為“中國牌”晶體；KBBF對西方國家實行技術禁運，而且在2018 年被評為“中國科學院改革開放四十年40 項標志性重大科技成果”之一，[1]是當代中國最具代表性的原始創新案例之一。當前，中國科學研究正處于由跟蹤西方先進研究向原始創新轉變的歷史時期，“中國牌”晶體的成功經驗，無疑具有深刻的借鑒意義。鑒于此，文章基于歷史文獻，結合陳創天院士的訪談，回顧并總結這項研究的發展歷程，以期得到有益的啟示。

1 “中國牌”晶體發現的理論基礎：陰離子基團理論

“中國牌”晶體的探索活動，始于中國科學家陳創天于20 世紀70 年代提出陰離子基團理論的原始創新。

1.1 陰離子基團理論形成的國際學術背景

非線性光學誕生于20 世紀60 年代。1961年，美國科學家弗蘭克（Franken）等人利用波長為694.3 nm 的紅寶石激光照射石英晶體，激光穿過晶體后出現了波長為347.2 nm 的倍頻光（頻率是入射激光的2 倍），這一發現標志著非線性光學的正式誕生。[2]非線性光學誕生后，尋找優質非線性光學晶體成了科學前沿研究的一個重要發展方向，科學家也提出了一系列科學理論來指導這項研究工作。

美國學者米勒（Miller）最早發現了二階極化率（描述介質在強光場下非線性極化強度的物理量）對無對稱中心結構晶體的非線性光學效應產生的重要影響，他于1964 年提出了半經驗的Miller 規則，即通過測定二階極化率來指導非線性光學晶體的探索活動。1968 年，美國貝爾實驗室庫爾茲（Kurtz）和派瑞（Perry）發明了能快速測量晶體粉末二階極化率的倍頻效應測試技術，其后便形成了晶體學界稱之為“炒菜”式的晶體探索模式，即通過倍頻測試、合成、性能等工序來尋找非線性光學晶體。[3]

“炒菜”式的晶體探索模式，由于缺乏理論上的預判，往往在晶體長成后才發現其非線性光學效應不夠理想，耗時，費力，效率低下。為此，科學家開始從晶體微觀結構與宏觀性能間的內在聯系出發，希望找到能指導晶體研究的理論依據。20 世紀60 年代后期，終于發現了微觀結構僅含σ?鍵的非線性光學晶體的結構—性能關系，其代表性理論包括布魯姆玻根（Bloembergen）等提出的非諧振子模型、杰格（Jeggo）等提出的鍵參數模型、萊文（Levine）提出的鍵電荷模型，等等。[4]到了70 年代，科學家發現，晶體的二階極化率并非產生于σ?鍵鏈接的兩個原子之間的定域價電子軌道，而是源于具有離域價電子軌道的基本結構單元，并由此建立了能反映非線性光學晶體微觀結構與宏觀性能之間的關系的理論，其代表性理論包括：凱姆拉（Chemla）關于共軛有機分子晶體的電荷轉移模型；陳創天關于無機非線性光學晶體的陰離子基團理論。這些理論，在新型非線性光學晶體的發現過程中發揮了重要作用。

1.2 陰離子基團理論的形成

陰離子基團理論是中國科學家陳創天于20 世紀70 年代正式提出，其理論的推導與計算在1968 年就已基本完成。

為解釋晶體非線性光學效應與基本結構之間的關系，陳創天首先提出兩條假設：（1）晶體材料的非線性光學效應是一種局域化的效應，是入射光波與各陰離子基團中的價電子相互作用的結果，其宏觀倍頻系數是組成晶體的基本單元——陰離子基團微觀倍頻系數的幾何迭加；（2）陰離子基團的微觀倍頻系數可以根據陰離子基團的局域化分子軌道利用量子力學的二級微擾理論計算出來，陽離子對晶體倍頻系數的貢獻在一級近似下可以忽略不計。

根據假設，陳創天選擇當時已發現的鈣鈦礦型晶體鈦酸鋇（BaTiO3）為研究對象，根據其晶體結構構建了氧八面體MO6離子基團模型，然后從TiO6離子基團的準分子軌道及晶格場位能下TiO6的離子鍵軌道出發，對BaTiO3晶體離子基團的微觀倍頻系數進行了理論計算。計算結果顯示，其理論推導值與實驗測量值高度吻合，表明該理論模型能解釋鈣鈦礦型晶體的非線性光學效應。[5]

接著，陳創天運用陰離子基團理論對碘酸鋰晶體的非線性光學系數進行了計算，理論計算結果與實驗值吻合程度較高，并指出IO3-1離子基團具有高度畸變的氧八面體結構，更有利于非線性光學效應的產生。[6]陳創天又計算了LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、BNN 晶體中畸變氧八面體陰離子基團的電光和倍頻系數，計算結果與實驗值的吻合度也非常好。[7]

BaTiO3等系列晶體電光和倍頻系數理論計算的完成，標志著陰離子基團理論正式形成。

1.3 陰離子基團理論的完善

陰離子基團理論形成之時，主要困難在于應用量子力學二級微擾理論計算陰離子基團的微觀倍頻系數，陳創天最早計算BaTiO3晶體的電光與倍頻系數時，運用手搖計算機計算了長達1 年多的時間。20 世紀80 年代，為了減輕計算工作量，陳創天等學者開始嘗試利用計算機程序計算基團微觀倍頻系數。[8]在此基礎上，陳創天的學生李如康將陰離子基團理論的計算方法編成了計算機程序，計算了具有π-共軛軌道平面結構的β-BaB2O4的倍頻系數，計算結果與實驗值高度吻合。[9]這些工作，不僅減輕了計算工作量、精確了計算結果，也進一步論證了陰離子基團理論的廣泛適用性。

利用計算機程序，研究組還計算了陽離子對二階極化率和折射率的貢獻。計算結果顯示，陽離子對二階極化率和雙折射的貢獻僅為15%～20%，證明了理論計算忽略金屬陽離子貢獻的合理性，消除了陰離子基團理論存在的最后一點疑問。

2 BBO 晶體的發現

BBO 晶體，即低溫相偏硼酸鋇，是實現紫外光輸出的一種優質非線性光學晶體，是中國科學家自主探索發現的第一種“中國牌”晶體。

2.1 提出自主探索新晶體主導思想

陰離子基團理論的提出為自主探索新型非線性光學晶體提供了理論根據，但下決心去開展相關工作卻需要很大的勇氣，因為跟蹤國外已有研究畢竟是更可靠的方式，特別是在20世紀六七十年代中國科學技術水平還非常落后的情況下。在這樣的背景下，盧嘉錫的膽識和決心起到了關鍵作用。

關于中國的晶體生長研究始于20 世紀60年代，在國家有關方面的組織下，中國科學院福建物質結構研究所、物理研究所以及上海硅酸鹽研究所、山東大學、國家建材局人工晶體研究所（今北京中材人工晶體研究院有限公司）等多家單位相繼開展了這項研究。到了70年代，國外已發現的眾多激光晶體或非線性光學晶體，如Nd:YAG、KDP、ADP、LiNbO3等，中國科學家均已研制出來，而且生長出的晶體質量甚至超過了國外同類產品，但是這些工作都是跟蹤國外開展的，中國還沒有自主發現過新型晶體材料。1974 年，在第三次全國晶體生長學術會議上，盧嘉錫率先提出，福建物質結構研究所將自主開展非線性光學材料研究，以改變晶體生長研究始終跟蹤國外的被動局面。為了表達開展自主探索的決心，他說：“我不下地獄，誰下地獄！為了探索非線性光學材料，福建物質結構所先下！即使下地獄，也要干！”[10]盧嘉錫的決定奠定了中國自主探索新晶體的思想基礎，為BBO 等系列“中國牌”晶體的發現創造了條件。因此，在分析“中國牌”晶體研究能夠取得成功的原因時，陳創天直言很大程度上是“盧先生的功勞”。①“陳創天訪談錄音”，2010 年元月23 日上午，中國科學院理化技術研究所陳創天院士辦公室。

2.2 確定硼酸鹽晶體研究方向

1974 年，盧嘉錫任命陳創天為非線性光學材料研究組組長，開始了非線性光學晶體的自主探索歷程。探索之初，基于陰離子基團理論揭示的規律，研究組選擇具有氧八面體結構的晶體作為新型非線性光學晶體的探索方向。不久，他們決定改變研究方向。他們認為，美國科學家在這個領域具有非常明顯的優勢，如貝爾實驗室發現了鈮酸鋰、鈦酸鋰等晶體，杜邦研究發展中心研制出了KTP 晶體，而中國的實驗設施又遠遠落后，很難與美國的這些研究機構競爭。對于當時尚是研究熱點的磷酸鹽系統晶體，研究組認為其四配位的基團結構很難產生較好的非線性光學效應，也不宜作為新晶體的探索方向。

經過多方面的思考與分析后，研究組最終從晶體輸出光波頻段的角度找到了新的探索方向。當時已發現的鈮酸鋰、鉭酸鋰、KTP 等晶體輸出的都是可見光，能輸出紫外光的只有一種晶體——尿素，而尿素存在易潮解等缺陷。陳創天認為，在實現紫外光的輸出方面，美國晶體學界尚無明顯優勢，對于中國來說，相對容易取得突破。經慎重考慮，研究組決定尋找能實現紫外光輸出的新晶體。

1979 年起，研究組開始將研究重心轉移到紫外非線性光學晶體的研制上。經過廣泛調研，研究組發現五硼酸鉀（KB5）也能實現紫外光的輸出，但該晶體有效倍頻系數太小，不是理想的非線性光學材料。但是，KB5的發現為研究組打開了思路，即在硼酸鹽化合物中尋找新型紫外非線性光學晶體。經理論分析，研究組認為，硼酸鹽化合物B-O 鍵的硼原子與氧原子間的電負性相差較大，存在透過紫外光甚至深紫外光的可能性；同時，硼酸鹽化合物結構類型繁多，有數百種之多，為尋找新晶體提供了廣闊空間。于是，研究組確定在硼酸鹽化合物中尋找新型優質非線性光學晶體。

2.3 摻雜試驗的意外結果

據陰離子基團理論，四配位的基團結構是五硼酸鉀倍頻系數小的主要原因，非四配位基團的硼酸鹽化合物應該具有較大的倍頻系數。因此，研究組自1979 年5 月開始在硼酸鹽化合物中尋找具有非四配位基團結構的晶體。

1979 年8 月，該研究組找到了基于B3O6基團的偏硼酸鋇晶體。理論分析表明，B3O6基團是π?共軛軌道平面結構，具有較大的二階極化率，偏硼酸鋇應該有很好的非線性光學效應。但是，他們最初找到的是高溫相偏硼酸鋇，其基本結構是有對稱中心的，不能產生非線性光學效應。為此，研究組決定用硼酸鈉（Na2B2O4）對偏硼酸鋇進行摻雜處理，目標是用鈉離子取代鋇離子，打破高溫相偏硼酸鋇的對稱結構。經過不斷摸索，研究人員在鈉與鋇的摩爾比為4∶6 時合成出一種“新”的化合物，其粉末樣品的非線性光學效應非常好。研究組認為取代反應取得了成功，將這種新物質命名為“偏硼酸鋇鈉”（BaB2O4· Na2O），并在同年蘇州召開的晶體學會議上公布了這個結果。

1979 年底，研究組采用提拉法生長出了新物質的單晶。該單晶的化學分析表明，鈉是微量元素，該物質應該仍是偏硼酸鋇。這時研究組意識到對摻雜試驗結果的判斷可能有誤，新物質中的氧化鈉可能只是起到了助溶劑的作用。為此，研究組將新物質送到中國科學院物理所梁敬魁那里進行相圖分析，測試結果表明，新晶體實際上是低溫相偏硼酸鋇，氧化鈉確實只是起了助溶劑的作用。[11]與高溫相偏硼酸鋇有對稱中心不同，摻入助溶劑后在925℃以下生長出的低溫相偏硼酸鋇不具有中心對稱結構，具有很強的非線性光學效應。至此，具有紫外非線性光學性能的低溫相偏硼酸鋇(β-BaB2O4，簡寫為BBO)被真正發現。

2.4 美國學術權威的質疑與“超級晶體”的贊譽

經過4 年奮斗，1983 年底研究組采用溶劑法生長出了一塊厘米級尺寸的BBO 單晶，其光學性能測試表明，該晶體的紫外吸收邊達到了185 nm 左右，倍頻系數是當時常用KDP 晶體的6 倍，雙折射率較高，在紫外區有比KDP更寬的可匹配范圍，適合做Nd:YAG 激光的二倍頻、三倍頻、四倍頻材料。[12]

1984 年，在廣州召開的國際激光學術會議上，陳創天首次報告了BBO 晶體的光學性能測試結果。因當時中國的科學技術水平十分落后，斯坦福大學激光專家拜爾（R.Byer）對BBO 晶體光學性能的真實性表示懷疑。1985年4 月，斯坦福大學晶體學專家范格爾遜（Fei?gelson）專程到福建物質結構所考察BBO 晶體的生長及性能測試情況，但仍然沒有消除美國學者的懷疑。

1985 年12 月，為消除美國學者的質疑，應拜爾之邀，陳創天帶著BBO 晶體到斯坦福大學進行光學性能測試。在斯坦福大學，中美兩國科學家一起協作對BBO 晶體進行了系統的測試。當時美國的測試設備比較先進，晶體的各項測試數據均比在中國測試的數據更加優異。例如，利用鎖模Nd:YAG 激光器實驗時，當基波光的功率密度達到2 GW/cm2時，激光從1064 nm 到532 nm 倍頻效應的能量轉換效率達到84%，從532 nm 到266 nm 的倍頻轉換效率也達到了52%。使用這臺激光器還實現了Nd:YAG 激光的5 次倍 頻 效 應，從1064 nm 到213 nm 的總體轉換效率也達到了11%。[13]看到測試結果，拜爾不由贊嘆道：這真是塊“超級晶體”（super crystal）。測試結束后，斯坦福大學方面專門為中美科學家的成功合作舉辦了慶祝會。慶祝會上，范格爾遜特意定做了一個大蛋糕，蛋糕上繪有中國地圖，并特意標明了福建省福州市中國科學院福建物質結構研究所的位置，右下角是BBO 晶體的圖樣，左下角是中美科研合作的握手圖樣，以此表示對兩國科學家合作成功的祝賀以及對中國科學家的敬意。[14]

1986 年，國際量子電子學（IQEC）和激光與光電子國際會議（CLEO）在斯坦福大學召開，陳創天在會議上報告了與斯坦福大學合作測定的BBO 晶體的光學性能數據。由于測試是在斯坦福大學進行的，此時沒人再懷疑BBO 晶體的優越性能，報告引起了強烈反響，BBO 晶體的盛名開始在世界范圍內傳播開來。

BBO 晶體的成功引起了美國激光學術界對晶體研究的反思。1986 年4 月，美國非線性光學和激光材料領域的48 位頂尖科學家，在馬里蘭州的安納波利斯市召開會議，形成了一份《關于非線性光學材料研究的評估報告》（Research on nonlinear optical materials : an assessment）。報告指出：“當時國際上最先進的非線性光學材料BBO 晶體出自中國，表明在該領域美國已落后于中國，希望美國政府能充分重視非線性光學材料研究并給予更大的支持。”[15]這份報告表明，中國的晶體研究已經走到了當時的國際前列。

3 LBO 晶體的發現

BBO 晶體的成功并沒有讓陳創天感到滿足。陳創天認為，BBO 晶體雖然實現了紫外光的輸出，但還不能實現深紫外光(即波長短于200 nm 激光)的輸出。于是，他領導團隊開始尋找能實現深紫外光輸出的非線性光學晶體，并于1987 年發現了LBO 晶體。

在LBO 晶體的發現過程中，陳創天的博士研究生吳以成做出了重要貢獻。吳以成首先對上千種硼氧化合物的硼氧基團結構分析歸類，從中歸納出10 種最基本的硼氧基團結構單元。陳創天、吳以成等運用陰離子基團理論分析了這些基本硼氧基團結構的微觀倍頻系數，結果表明：在硼酸鹽系統的BO3、BO4、B3O6、B3O7、B3O8、B3O9等孤立硼氧基團中，平面BO3基團有較大的微觀倍頻系數，而四面體BO4基團的微觀倍頻系數相對小得多；B3O6基團由3 個BO3基團構成，最有利于產生大的倍頻效應；B3O7基團含有兩個BO3基團，也有利于產生倍頻效應；B3O8基團只含有一個BO3基團，其微觀倍頻系數比B3O7基團的小，而B3O9基團全部由BO4基團構成，不利于產生倍頻效應。[16]這些理論分析，為探索新晶體指明了方向。

陳創天進一步分析了B3O6基團的微觀結構。他認為，B3O6基團受π 軌道能隙限制，最大能隙只能達到190 nm，這和晶體實際測量的紫外截止波長（185 nm）幾乎是一致的，這是BBO 晶體不能輸出深紫外光的根本原因。基于以上理論分析，陳創天提出在B3O6基團中加入一個四配位硼，形成B3O7基團，此基團不但有和(B3O6)3-基團同等大小的微觀倍頻系數，而且基團的能隙可能達到152 nm，有實現深紫外光輸出的可能性。

在這個思想指導下，吳以成很快找到了基于B3O7基團的三硼酸鋰LiB3O5(簡稱LBO)。經化合物合成、倍頻性能測試、物相分析等大量工作，研究組在1987 年終于成功生長出了LBO 晶體。經實驗測定，LBO 晶體的有效倍頻系數與理論計算完全一致，紫外透光性能比BBO 更加優越。[17-18]基于B3O7基團的理論分析，吳以成還發現了CBO 晶體，日本科學家Sasaki 發 現 了CLBO 晶 體。

4 KBBF 晶體的發現

然而，LBO 晶體并沒有實現低于200 nm波長深紫外光的輸出，這是因為LBO 晶體的截止邊雖然可以達到深紫外波長155 nm，但它的雙折射率太小，只有0.045，還是無法實現深紫外光的輸出，甚至連Nd:YAG 激光的四倍頻266 nm 紫外光都不能輸出。為了實現深紫外光的輸出，陳創天團隊開始了新一輪的艱苦探索。

4.1 發現KBBF 晶體的理論分析

為了實現深紫外光的輸出，陳創天帶領團隊將研究目標轉向BO3基團。理論分析表明，當BO3基團上三個終端O 原子與Be、B 等原子相連時，基團的懸掛鍵能被消除，其帶隙能可以達到150 nm，同時BO3基團在晶胞中共平面排列時，晶體將具有較大的雙折射率和二階倍頻系數。由此，研究組提出新晶體的結構應該滿足三個條件：（1）BO3基團的懸掛鍵要中和（也就是和其他原子相連）；（2）BO3基團要保持在同一平面上；（3）BO3基團的密度要足夠大，密度大，非線性光學效應才會大。[19]

根據新晶體的三個結構判據，李如康、夏幼南于1987-1988 年找到了KBBF（KBe2BO3F2）晶體。經計算，KBBF 晶體的紫外截止邊波長為150 nm，雙折射率為0.083～0.088，與理論分析結果相符，其倍頻系數與BO3基團的貢獻值也非常吻合，是實現深紫外光輸出的理想材料。于是研究組開始合成這種化合物。[20]

4.2 晶體生長的10 年艱苦探索與200 nm“紫外壁壘”的突破

KBBF 晶體是層狀結構，兩層之間沒有化學鍵鏈接，其層狀特性非常嚴重，晶體沿z 軸方向很難生長。正是這個原因，研究組自1990 年開始進行晶體生長研究，艱苦摸索10 年，直到2000 年在晶體生長方面還沒取得突破，生長出的晶體的大小和厚度遲遲達不到實驗測試的基本要求，甚至達不到毫米量級。2000 年，為了解決晶體生長的困難，陳創天決定同山東大學晶體研究所蔣民華團隊合作，希望利用他們在熔劑法單晶生長方面的豐富經驗，盡快實現KBBF 單晶生長技術的突破。經通力合作，研究團隊于2002 年初成功生長出了沿z 軸方向厚度達到1.8 mm 的KBBF 單晶。

因KBBF 存在嚴重的層狀性能，難以斜面切割制作器件，所以在與蔣民華團隊合作開展晶體生長研究的同時，陳創天還和中國科學院物理研究所許祖彥合作開展了KBBF 薄單晶的應用研究，開發出了應用KBBF 單晶的激光變頻棱鏡耦合技術。2002 年3 月，他們利用已研制出的沿Z 軸方向厚度為1.8 mm 的KBBF單晶，制作出第一個光接觸KBBF-CaF2棱鏡耦合器件。

2003 年，為了探索這個器件的非線性光學性能，陳創天同日本東京大學的科研機構合作，利用日本的先進激光裝置，采用倍頻方法在實驗中實現了Nd:YAG 激光的6 倍頻（波長為177.3 nm）深紫外光的輸出，突破了被國際學界稱作“紫外壁壘”的200 nm 界限。[21]KBBF晶體開始邁入實用化階段。

4.3 對西方國家技術禁運的高技術產品

技術禁運，是指西方發達國家為維持其在科學與技術上的領先地位，采取禁止向發展中國家出售高技術產品的一種措施。長期以來，中國一直是被西方國家實行技術禁運的國家之一，美國對KTP 晶體的出售限制可反映出這種技術禁運的嚴厲程度。KTP 晶體是美國科學家于20 世紀70 年代中期發現的一種優質非線性光學材料，因其在科學研究、軍事等方面的廣泛應用前景，被發現后便對中國實行技術禁運。20 世紀80 年代初，天津大學姚建銓到美國進修，在購買KTP 晶體無望的情況下，開口向美國同行要一塊已打碎的KTP 晶體碎片，然而美國同行的回答是：“不行，KTP 是美國軍方資助的項目，對共產黨國家禁運，碎片也不許帶出實驗室！”[22]在西方國家如此嚴厲的技術禁運政策下，中國在高技術領域只能一點點去摸索，但由于科學技術整體水平比較落后，絕大多數領域都很難在短時間內取得突破，難以縮小與發達國家的距離。因此，技術禁運政策成了制約中國科學技術進步的嚴重阻礙。當前美國與中國存在著巨大的貿易逆差，即便如此，美國仍不愿放松，且逐漸加大對中國的高技術禁運。

KBBF 晶體棱鏡耦合器件研制成功后，其輸出的深紫外光在前沿科學領域和光刻技術領域顯示出非常廣闊的應用前景。在前沿科學領域，中日兩國科學家利用KBBF-CaF2棱鏡耦合器件，合作研制出具有超高能量分辨率、角分辨的光電子能譜儀。日本科學家通過該光電子能譜儀直接觀察到了CeRu2超導單晶在超導態時cooper 電子對的形成；中國科學院物理所周興江研究組利用陳創天、許祖彥研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀，首次觀察到高溫超導體Bi2Sr2CaCu2O8在超導態時的一種新的電子耦合模型。在光刻技術領域，深紫外光的成功輸出為193 nm 光刻技術的應用提供了可能。2008 年，基于KBBF 器件在前沿科學和光刻技術領域的廣闊應用前景，中國科學院決定暫時不向西方國家出售KBBF 晶體器件，KBBF 晶體器件也因此成了對西方發達國家實行技術禁運的高技術產品。

5 “中國牌”晶體研究成功的啟示

關于“中國牌”晶體研究成功的原因，陳創天認為可以歸功于國家的長期支持、非功利主義的科研態度等多方面的因素，雖然直言其經歷“不可復制”，但這些因素對今日中國之科學研究有非常深遠的借鑒意義。[23]

5.1 重視基礎理論創新

重視基礎理論創新是“中國牌”晶體研究過程中留給人們最直觀的啟示。BBO、LBO、KBBF 等系列優質非線性光學晶體的成功發現，主要得益于原創科學理論——陰離子基團理論的指導。

在吳以成發現三硼酸鋰（LBO）的同一時期，LBO 晶體——四硼酸鋰也是國際晶體學界研究的熱點。四硼酸鋰是一種壓電晶體，非線性光學效應很差。鑒于這兩種LBO 晶體性能反差巨大，在三硼酸鋰被發現后，美國利弗莫 爾（Livermore）實 驗 室 艾 莫 爾（David Ei?merl）不解地問陳創天：從晶體是否容易生長的角度出發，應該生長四硼酸鋰，而不是三硼酸鋰，為什么你們會去生長三硼酸鋰呢？陳創天告訴他：這是因為我們有陰離子基團理論的指導，在決定生長三硼酸鋰前，我們已經運用該理論對B4O9、B3O7等各種硼氧基團的倍頻系數進行了計算，已明確知道基于B3O7基團的三硼酸鋰比基于B4O9基團的四硼酸鋰非線性光學性能要好。這段軼事，揭示了陰離子基團理論在新晶體探索中發揮的重要作用。實際上，在陰離子基團理論的指導下，陳創天團隊發現的非線性晶體遠非BBO、LBO、KBBF 這3 種，而是幾個系列，共有20 多個品種。

BBO、LBO、KBBF 等系列“中國牌”晶體的發現，揭示了基礎理論創新在前沿科學探索中的關鍵作用。當前，中國科技水平仍與西方發達國家存在較大差距，突出表現就是原始創新不足，像“中國牌”晶體這樣的創新案例還非常少。“要創新就必須有自主的科學思想，只有有了自己的科學思想，才能獲得自己的成果，才能自立于世界民族之林”。[24]陳創天的這段感言提醒我們，要全面提高中國科學技術水平,必須加倍重視基礎理論創新。

5.2 營造寬松的科研環境

談及“中國牌”晶體的成功，陳創天把“國家的長期支持”作為非常關鍵的一個因素。

“國家的長期支持”，研究資金的支持僅僅是一個方面，更重要的是為晶體研究營造了一種相對寬松的科研氛圍。人工晶體生長研究周期長，以“中國牌”晶體的探索為例，BBO 的發現過程、KBBF 晶體的實用化過程都經歷了10多年的時間。如此長的研究周期，無論是對管理機構而言，還是對研究人員而言，都需要足夠的耐心，都需要摒棄急功近利的思想傾向。難能可貴的是，中國自20 世紀60 年代初期開始就重視晶體生長研究，但并沒有為晶體生長研究設定期限和指標，營造了一種相對寬松的科研氛圍。陳創天，1962 年大學畢業，1965 年才開始科研選題，即使在“文化大革命”期間的1968-1969 年還能在家里進行陰離子基團理論的推導與計算，享有充分的科學研究“自由”，這為他提出陰離子基團理論創造了良好外部環境。

與晶體生長研究相似的是，基礎理論研究也具有周期長、結果難以預期的特點，同樣需要一個相對寬松的科研環境，讓科研人員能夠靜下心來坐“冷板凳”。這種環境，“從科學界來說，就是希望給中國的科學家，特別是工作在第一線的中國科學家更多的自主權，讓他們敞開思想的大門,讓他們有權按照自己的科學思想,組織科研隊伍,長期堅持研究,大幅度減少行政部門對他們的干預”。[24]可喜的是，科學家的這個愿望已得到了國家的高度重視，2019 年國務院專門出臺《關于全面加強基礎科學研究的若干意見》，其中第一條就是要“創新體制機制，增強創新活力，特別是要使科研人員能夠潛心、長期從事基礎研究”。希望有關方面充分借鑒“中國牌”晶體的成功經驗，尊重理論研究周期較長的客觀規律，為科研人員營造一個相對寬松、自由的科研環境。

5.3 強化基礎學科教學，促進創新人才成長

關于“中國牌”晶體的成功因素，最值得回味和引起思考的還是陳創天那句“今天其他人很難復制我”的感嘆。

陳創天所言之“很難復制”，主要針對其學術成長經歷而言。非線性光學晶體的研制，本身是交叉學科，涉及物理、化學兩個基礎學科，同時需要晶體生長方面的實踐，陳創天在三個方面都有很扎實的學術積累。大學時期，陳創天就讀于北京大學物理系，學習的是理論物理專業。當時有一批著名物理學家在該系任教，黃昆講授固體物理，王竹溪講授熱力學和統計物理，郭敦仁講授特殊函數，褚圣麟講授原子物理，胡寧講授場論。得益于這些名師良好的學術訓練，陳創天打下了非常扎實的理論物理基礎，自言“從不會在物理概念上犯錯誤”。大學畢業后，陳創天到福建物質結構研究所工作，又在著名化學家盧嘉錫的指導下學習了結構化學、量子化學、群表示理論等化學基礎理論。“文化大革命”期間，他又在實驗室參與了晶體生長的實踐活動。很少有人會像他那樣同時接受物理、化學兩個基礎學科的雙重理論學習，更難有機會親歷盧嘉錫、黃昆等這么多一流科學大師的專業學術訓練，所以陳創天感嘆“今天其他人很難復制我”。

實際上，陳創天“很難復制”的學術經歷，得益于盧嘉錫卓越的人才培養方式。1960 年，盧嘉錫創立中國科學院福建物質結構研究所之初，基于晶體材料研究涉及物理、化學兩個基礎學科的事實，就提出了“理論與實踐、物理與化學、結構與性能多重結合”的研究思路。[25]在這樣的思路指導下，盧嘉錫從北京大學選來了理論物理專業出身的陳創天，并花了3 年時間對其進行理論化學的學術訓練。物理、化學兩個學科的理論學習，加上后來的晶體生長實踐，陳創天的學術經歷，完全實現了盧嘉錫最初“物理與化學結合、理論與實踐結合”的設想。可以說，是盧嘉錫的精心規劃與培養，讓陳創天成長為非線性光學晶體研究的領軍人物。

陳創天的“很難復制”的學術經歷，對于今天創新人才的培養，有很好的借鑒意義。當前，前沿科學研究最活躍的領域多為交叉學科，專業界限分明的傳統課程學習很難滿足前沿科學研究對多學科知識的需求。借鑒陳創天“很難復制”的學術經歷，高等教育在研究生教育階段可以有意識地進行跨專業招生，以培養多學科融合的基礎研究人才，適應前沿交叉學科研究的需要。

6 結語

2009 年，Nature雜志亞洲事務記者大衛·希拉諾斯基（David Cyranoski）以《中國藏匿的晶體》為題專文介紹了KBBF 晶體的研究現狀。希拉諾斯基深入調查后認為，在這個領域，中國科學家有原創科學理論——陰離子基團理論的指導，有材料合成、晶體生長、性能測試等一系列嚴謹的新晶體研制程序，并且在長期的晶體探索過程中形成了一支理論扎實、技術精湛、分工明確、實力雄厚的研究團隊，“其他國家很難在短時間內縮小與中國的差距”。[26]這個論斷，充分顯示了“中國牌”晶體研究的國際領先地位，也闡明了原創科學理論在前沿科學研究中的重要作用。當前，中國整體科學技術水平仍落后于西方發達國家，在很多領域仍遭受著西方國家嚴厲的技術禁運，唯有像“中國牌”晶體研究那樣從理論創新出發，才能真正取得國際一流的研究成果，真正趕超西方發達國家。希望有關方面借鑒“中國牌”晶體的成功經驗，大力推進原始理論創新，用國際一流的科研成果助推中華民族的偉大復興。

后記：2018 年1 月，鑒于在“中國牌”晶體探索中的卓越貢獻，陳創天被提名為2018 年度國家最高科學技術獎候選人。2018 年10 月31 日，陳創天去世。謹以此文向他致以最崇高的敬意！