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孙向南（中）指导学生做实验。受访者供图

好消息如期而至。近日，由国家纳米科学中心研究员孙向南团队牵头、多家高校和研究机构联合申请的国家重点研发计划“纳米前沿”重点专项获批立项。

“我也是刚接到获批通知的。”电话中，孙向南的语气流露出水到渠成的笃定，“实际上，我自始至终都不太担心申请结果，团队的成长和壮大是我们争取这个重点专项的底气。”

从连续数年没有论文、没有“帽子”、没有实验设备，在有机自旋电子学领域“孤军奋战”，到如今得到小同行充分认可，带领团队创造有机自旋电子学领域自旋寿命、输运距离等关键参数的全球最好纪录并牵头承担重点专项，孙向南成功穿过了创新的“无人区”。

有机自旋电子学：改变未来的信息技术

今天，信息技术的“摩天大楼”高耸入云，但其发展的基石仍是电子电荷研究及据此发展起来的晶体管器件。随着晶体管器件的集成度逐步提高，其发展也趋近摩尔定律极限：一方面芯片尺寸已接近物理极限，另一方面集成电路散热问题越发凸显。

“自旋电子不产生热，纯自旋器件没有散热问题。因此，利用电子自旋构建新器件被认为是突破摩尔定律极限、实现更快运算的有效途径。”孙向南说，“而且，自旋是量子概念，它在未来量子计算应用领域潜力巨大。”

自旋电子按材料性质可分为无机自旋电子和有机自旋电子。其中，无机材料较易实现信息的输运和运算，但缺陷是需要在极低温条件下才能工作。比如，目前的量子计算机要在极低温条件下运行。与之对应，有机材料可以在室温下实现信息输运，但发展瓶颈是自旋运算处理极其困难。正因如此，主流自旋电子学研究集中于无机材料领域。

“室温下可工作让有机电子自旋在应用上优势明显，若能在自旋运算方面取得关键性突破，一定会有很好的应用前景。”孙向南说，“然而，由于有机自旋运算研究非常困难，国内这一领域基本是‘无人区’，国际上也尚未取得大突破。”

年轻气盛，他选择挑战新方向

2016年初，孙向南在西班牙巴斯克纳米科学中心完成5年博士后研究工作后，回国加入国家纳米科学中心。

“当时年轻气盛，想着既然无机自旋和有机自旋研究都面临挑战，不如干脆挑战一个新方向。”孙向南说，“而且，有机自旋研究是我的兴趣所在。”

博士后研究阶段，孙向南主要从事无机自旋研究。他曾优化巴斯克纳米科学中心的实验设备，并尝试用有机分子做了些成果，再加上笃信有机自旋有更广阔的应用前景，他决定回国组建团队进行有机自旋电子材料和器件的研究。

自旋电子学研究高度依赖设备，巴斯克纳米科学中心研究无机自旋的仪器大概价值7000万美元。组建团队时，孙向南才发现难题不是没有设备，而是根本买不到设备。“它太新了，根本就没有现成的设备。”孙向南说。

所幸，国家纳米科学中心为新加入的研究人员提供了宽松的环境，前3年不必考核。

“入职后很长时间，我基本没有‘产出’。”孙向南回忆说，“我们实验室的三任主任都给了我足够多的支持和耐心。”

让孙向南感激的，还有国家纳米科学中心研究员魏志祥等前辈的支持。第一年，孙向南获得国家纳米科学中心80万元的支持。很快，中心科技处又协助他争取到澳门赌场科研仪器设备研制项目的资助。此外，实验室很多前辈还将他纳入自己的项目组。这使得孙向南在没有任何“帽子”的情况下，拿到近400万元研究经费。

有了环境和资金的支持，孙向南团队和仪器制造厂商历时近3年，以合作研发的方式完成了急需设备的研制。

艰难跋涉，“万般约束不如真心喜欢”

除了要考虑仪器设备从何而来外，孙向南还要面对有机自旋领域没有研究目标的茫然。在部分领域，对参数进行优化就能发一篇不错的论文，但有机自旋研究少有人涉及，缺乏参考范例和可优化参数，甚至连研究方向都不清楚。

“什么时候能做出眉目，当时心里完全没底。”孙向南说，“当时的困惑是感觉困难无处不在，又抓不住它。可能今天觉得某个方向‘有戏’，明天又发现方向是错的。”

在这样的情况下，孙向南最早的几个研究生好几年都没有发论文。孙向南只能“捡起”曾经做过的电子器件研究，指导学生先发些器件方面的论文，拿到毕业证后，再接着研究有机自旋电子学。

孙向南的学生自称“向南军团”。他们中的大多数人选择毕业后留在团队工作，一些到其他研究机构或高校的学生也坚持从事有机自旋电子学研究，这让孙向南很欣慰。

“可能是因为热爱吧，在非常困难的情况下，我们还是选择把‘冷板凳’坐‘热’。”孙向南说。

2019年底，转机出现了。孙向南布局的3个方向露出了一线光明，这让他和团队更加努力。孙向南常年保持每周6天、每天15个小时的工作强度。对于团队成员来说，每天工作十几个小时是家常便饭。虽然累，但孙向南和团队成员乐在其中，因为这些年，科研的道路越走越宽。

每当遇到困难，孙向南常想起几年前的一个场景。那是2021年2月14日，农历大年初三这天，孙向南躲在办公室里修改文章。审稿人提出的“刁钻”又关键的问题，困扰了孙向南很久。

苦思冥想中，孙向南忽然被一个闪念“击中”，想到一个巧妙的解决办法。他一时间情绪高涨，想找人倾诉一下，拿起手机一看，却发现时间已接近凌晨3点。兴奋难抑的他决定下楼走走。绕着国家纳米科学中心科研楼走了好几圈，他逐渐冷静下来。抬头望着办公室窗前的灯火，孙向南心生感慨：“万般约束不如真心喜欢。”

谈及取得的成果，孙向南说，得益于平台的支持，也离不开团队的支撑。“这项研究需要有共同奋斗的伙伴，我们现在发展得越来越好，就是因为团队已成长起来……”

孙向南认为，无机自旋电子和有机自旋电子研究目前都处于基础研究阶段，未来如果实现科学上的关键突破并顺利推向应用，一定能为信息技术、量子计算等领域带来巨大突破。

（原载于《中国科学报》?2024-12-18?第4版?综合）