2021年9月12日，未来科学大奖公布2021年获奖名单，其中“物质科学奖”授予上海交通大学讲席教授、中科院物理研究所研究员张杰院士，表彰他通过调控激光与物质相互作用产生精确可控的超短脉冲快电子束，并将其应用于实现超高时空分辨高能电子衍射成像和激光核聚变的快点火研究。

在这段颁奖词中有几个关键词：高能电子束、激光核聚变、超高时空分辨高能电子衍射与成像，其中最为核心的就是激光核聚变。

激光核聚变以高功率激光作为驱动器，是人类未来的清洁、高效、安全的终极能源候选之一。1963年和1964年，苏联科学家巴索夫和中国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应的新途径——激光核聚变。但要想通过激光核聚变把直径为1毫米的聚变燃料小球压缩1000倍并同时均匀加热到1亿度，这在技术上是极大的挑战，人类已经为此努力了60年。而在这60年中的三分之一的时间里，铭刻着张杰上下求索的精彩人生。

张杰院士在2021未来科学大奖周期间接受采访（祝传海/摄）

“研究型思维会使我们的生活充满快乐”

生活是科学最好的启蒙。少年时，张杰一家生活在内蒙古一座偏远的小城市——集宁，彼时家庭生活条件虽然艰苦，却也充满了温馨和科学的趣味。

张杰不足10岁时就在他父亲的带领下，以“改善生活条件”为出发点，通过 “孵小鸡”的物理实验和“制盐酸”的化学实验等一系列探索，完成了自己最早的科学启蒙。其中“孵小鸡”最重要的设备是保温箱和恒温器，当时没有条件，他就与父亲一起查阅资料研究设备原理，然后“悄悄”地用报纸把母亲装缝纫机的包装纸箱改造成了简易的“保温箱”，利用双金属片在不同温度下热胀系数不一样的特性制成“控温器”。

“一个多月后，我们打开保温箱查看，发现有些鸡蛋还是原样，而有些已经在内部孵化出小鸡的雏形了，但最终还是没能继续孵化。”张杰笑着回忆，“长大以后我才意识到，其实这就是我人生的第一个物理实验，虽然这次实验失败了，但我从中学到了很多，包括怎样获取信息，怎样记录数据，以及更加关键的怎样对待失败等。”

在张杰的童年生活中，像这样的科学实验还有很多，这不仅让他在实验中获取了知识，也培养了他的研究性思维。比如生活中最常见的煮饺子，在大多数人看来没什么好关注的，但偏偏年幼的张杰对此抱有莫大的兴趣。“我妈妈煮饺子的时候，总会告诉我，煮饺子要在水沸腾的时候加3~4次水，这样煮熟的饺子才不会破。”为什么不能一直用沸水煮？为什么加凉水饺子就不会破？小张杰的脑袋里充满了各种疑问。为了解开这些谜题，他不断观察、询问、查阅资料，终于明白，原来这其中蕴含着气压、沸点与动能的物理奥秘。

无论何时，张杰提起这些稚嫩的童趣生活，总是满怀高兴，并常常以此为例教导自己的学生：“科学研究最关键的是要找到自己感兴趣的问题，而研究型思维是最重要的，它能不能给你带来科研成果其实是次要的，最重要的是研究型思维能够让你的生活充满快乐。”

团队合影

羁旅漂泊，筑梦而行

1985年，张杰进入中国科学院物理研究所攻读博士学位，彼时他已经确定了自己的主要研究对象——更短波长激光的产生。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被誉为人类最伟大的发明之一。自1960年被首次成功制造以来，激光就获得了超乎寻常的飞快发展，但是彼时多数激光的波长都处于可见波段，假如能够制造出更短波长的激光，使其成为X射线激光，它就会给人类带来更大的贡献。可以毫不夸张地说，这是当时所有该领域内科学家的共同梦想，张杰也不例外。

为了追寻自己的梦想，推进激光的进一步发展，张杰于1988年年底在中国科学院物理研究所获得博士学位后，前往当时国际上激光等离子体研究领域最优秀的研究所之一——德国马普学会量子光学所从事博士后研究。在为期两年的研究过程中，他对“光泵浦”产生软X射线波段激光的物理机制进行了深入研究。之后，他来到英国牛津大学，在卢瑟福实验室，他与同事们一起进行了长达8年的研究，先后多次打破X射线激光饱和输出的最短波长的世界纪录，将饱和X射线输出的最短波长从22纳米推进5.8纳米，推进到水窗（2.2纳米～4.4纳米）附近。

与此同时，张杰与同事们在饱和X射线激光的应用方面也取得了重要进展，他们利用饱和X射线激光研究了激光聚变过程中流体力学不稳定性的发展过程，同时，他们也是世界上最早对超短超强激光“打洞”速度进行测量的团队，这个测量对于快点火激光核聚变过程中“打洞”的可行性判断至关重要。

1997年，中国自然科学基金委员会主任张存浩院士在访问英国牛津大学期间认识了张杰，成为他的“伯乐”，埋下了张杰回国的伏笔；也是这一年，张杰提出“双锥对撞点火”这一新型激光聚变方案的雏形，隐隐敲定了其团队未来20多年的奋斗目标。

张杰院士

明知不可而为之

1999年，为了报答张存浩院士的知遇之恩，也为了陪伴家人，更为了心中“祖国更强大的明天”，在外漂泊10年的张杰回到祖国，计划开展激光核聚变中关于可控超短脉冲高能电子束的产生与传输研究。但研究开展之初，他就遇到了科研经费严重不足的难题。

为了节省经费用以进行更多的研究，那些年里，张杰和团队成员商量着“尽可能不花钱”。为此，他常常从“退货”库房“淘”设备和零件。“因为我经常去库房找还可以用的旧设备，后来库房老师就养成了习惯，凡是他有别人退库的，像是还能用的东西，都要首先给我打电话。”就这样，他与同事魏志义一起将极其有限的经费都用于研制我国第一台太瓦飞秒激光器。

除了自己研制激光器以外，张杰还带领团队“无中生有”地研制了相互作用真空靶室——先是把别人退库的真空镀膜机加几个窗口，以便让激光束输进去，又在靶室内安装驱动马达，让靶能够在真空靶室内运动。张杰团队的第一批物理实验都是在这个靶室里做的，这个靶室后来成为中国科学院物理研究所内的展品，向后来者展示前辈们的卓越精神。

经过3年左右的探索，到2002年前后，张杰团队已经能够产生出能量非常高、方向性非常好的高能电子束。此时他们发现，这样的高能电子束也许会有其他的用途—用于超高时空分辨的电子衍射和成像研究，由此开拓了新的研究方向。到2006年，张杰等人先后研制成功了90千电子伏和200千电子伏的超快电子衍射装置。那时，他们的设备时间分辨能力就已经达到了几百个飞秒，但假如他们想进一步提高设备的时间分辨能力，其电子能量就要进一步提高，也就需要更多的经费。

恰逢此时国家基于“提升我国自主发展仪器设备能力”的考虑，开启了仪器类资助项目。然而相关项目的获取名额十分有限，张杰团队的第一次申请以失败告终。到了第二年的元旦期间，也就是2012年的1月3日，他把所有的国际合作者都请回国内，又把国内这一领域各个方面水平较高的优秀学者聚集起来，共同讨论如何确保项目申请成功。但是到2012年正式申请的时候，他们在最后一轮答辩中还是失败了。直到2013年，他们的申请才终于获得成功。

获得充足经费后，张杰团队开始研制兆电子伏特能量的超快电子衍射装置，且历时5年终于研制成功。这台装置在空间上达到10-10米（百亿分之一米）的分辨率，在时间方面，达到了优于5x10-14秒（百万亿分之一秒），比世界纪录好了两倍。

用这台世界上最先进的超高时空分辨的高能电子衍射和成像装置，可以观察到很多以前完全不可能进行研究的超快现象。利用这一装置，他们做了许多超高时间分辨的实验，如三维电子材料和二维电子材料间的快速转变。“以往学界认为，这两类电子材料是截然不同的两类东西，但基于这台设备，我们用超短脉冲激光去诱导二维和三维之间的快速的转变，成为了世界上第一个见证二维转三维、三维转二维的动力学过程的团队。”这是了解凝聚态物质的超快物理过程的重要突破。

张杰院士

在过去的20多年时间里，为了在实验上证实当初的“双锥对撞点火”方案，张杰带领团队在国外的激光装置和他们自己研制的超短超强激光装置上做了很多理论与实验研究，但真正在大能量激光装置上的实验，直到2018年才成为可能。从2018年至今，张杰等人已经做了6轮实验，通过1万焦耳激光实验证实了该方案前3个分解物理过程的可行性，有些实验结果甚至都比他们最开始理论设想的还要好。

磨剑二十载，出鞘必锋芒！张杰领导研究团队在快电子束方面取得的一系列重大突破，包括高效产生非热电子、用激光调节电子束能量、实现高定向电子发射，以及创时空分辨世界纪录的电子束成像等为其他很多重要的科学探索提供了可能。

在以阶段性成果获得2021未来科学大奖“物质科学奖”后，《科学中国人》记者这样问张杰：“你认为做科研最重要的是什么？”

“是相信自己。”张杰说，“物理学家的职责就是解决难题，只有在解决难题的过程当中，才能体现出物理学家对于人类社会的特殊存在意义和价值。”这不仅是张杰面对采访时的回答，也是他常常教导学生的话语，更是他对广大年轻学者的激励。任何难题的突破都需要非常漫长的时间积累，在到达终点之前，科研人员只有相信自己，才能在未知的世界里浇灌出鲜艳的花。

目前，张杰正在带领团队进行第7轮实验，并计划到 2026年完成18轮实验，即便到了那时，这项重要研究也未必能够达到最终的目标。但“不可能完成的事”，正是张杰及其团队所追求的目标。“我们团队的科研精神就是‘明知不可为而为之’。”

在他看来，科学研究和学习都是非常快乐的事情，这是满足人类与生俱来的好奇心的两种方式，为此他鼓励广大青年学者：“千万不要把学习过程作为‘学海无涯苦作舟’的苦差事，也不要把科学研究看做苦行僧般的生活，其实科学研究是非常快乐的事情，科学家都是非常快乐的人。”

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