中国科学院“90后”挑战光学极限

 

论文被Science接收了。收到通知的那一刻，郭相东知道自己3年前的那个决定做对了。

当时，他放弃来自互联网头部企业的高薪offer，转而申请中国科学院特别研究助理项目，选择留在国家纳米科学中心（以下简称纳米中心）继续从事科研。

8月18日，纳米中心研究员戴庆课题组与香港大学教授张霜课题组及其他合作者共同制造了迄今为止分辨率最高的光学成像透镜，超越传统光学成像分辨率的极限。这项极具创造性的研究成果在Science上发表。

戴庆，英国帝国理工大学教授John Pendry，中国科学院外籍院士、香港大学教授张翔和香港大学教授张霜是这篇论文的共同通讯作者，香港大学博士后管福鑫、博士生曾可博和郭相东为论文的共同一作。

仅在半年前的2月10日，郭相东的师兄、纳米中心副研究员胡海也在Science上发表文章。这两位“90后”的年轻学者是戴庆课题组毕业的第一和第二位博士生。

他们为何如此高产？有哪些“秘籍”？

戴庆课题组（受访者供图，下同）

理论+实验双修，眼前一亮

2020年，站在博士毕业的十字路口，郭相东面临着重大的抉择。做科研是他的兴趣，但一份来自互联网企业的高薪offer，拨动了他内心的天平。这时，导师戴庆转发了一条关于申请中国科学院“特别研究助理”的通知。这是中国科学院为了聚集青年人才从2019年起设置的人才项目。

经过激烈竞争，郭相东最终入选，获得3年60万的经费资助。他拒掉企业抛来的橄榄枝，坚定地选择了追逐科研梦想的道路。他的感受是，“特别研究助理”优厚的福利待遇为青年科研人员在大城市生活解除了后顾之忧，让他一心扑在科研上。

3年后，郭相东如愿完成一项极具创造力的工作，得以在Science上发表。“工作原创性很高，在理论革新和实验设计上都让人眼前一亮。”他说。

这项工作的目标是进一步提升光学成像技术的分辨率。作为一种新型光学成像技术，“超透镜”可以突破传统光学成像分辨率的极限，生成亚波长级别的图像。

具有“极化激元”模式的材料正是实现超透镜的优良材料。“极化激元”是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，通过压缩光场，可以实现纳米尺度上光信息的传输和处理。

然而，光学系统本身带来的“误差”——“本征损耗”始终存在，阻碍着超透镜分辨率的进一步提高。近20年来，全球科学家围绕这一关键科学问题进行了长期探索，一直没能提出有效解决方案。

在最新发表论文中，郭相东所在的戴庆课题组与香港大学以及英国帝国理工学院的学者合作，围绕这个难题开展攻关。

研究团队首先从理论上创造性地提出“借助多频率组合的复频波激发来获得虚拟增益”的方案。他们用数学公式将复杂的光波转化为几种简单光波的组合，并利用简单光波提供的信息来弥补图像质量因“本征损耗”导致的损失。

这是一种巧妙的方法，如同用数学计算将光谱中不同颜色的光合成出一种颜色的光，新合成的光可以比原来不同颜色的光显示出更多的细节。

理论上证明这种方法可行之后，科研团队将这一设想变成现实。据介绍，来自张霜课题组的管福鑫等学者完成了微波实验验证，郭相东完成光频段实验验证。其中光频段的“基于合成复频波的碳化硅声子极化激元光学超透镜”出炉。

近年来，郭相东致力于追求光与物质相互作用的极限，探索原子制造技术下高压缩的极化激元材料和器件设计。他选中一种高压缩的极化激元材料作为基础，亲手做出了合成复频波的超透镜。

实验证明，新的超透镜将分辨率极限提高了约一个量级，达到了百纳米水平。这意味着，科研人员能够用光学成像的手段“看到”百纳米大小的物质。

香港大学张霜教授（中）与管福鑫（右）和郭相东（左）。

追求新奇现象以外

同时做到理论与实验的革新，离不开青年科研人员心无旁骛的专心致学。和众多来自中国科学院的青年科研人一样，郭相东的师兄胡海也深有同感，中国科学院为他们提供了高水平的平台和条件。

胡海

2023年2月，戴庆课题组成功创制极化激元晶体管的工作登上Science，胡海是这篇论文的一作。

围绕极化激元晶体管的工作始于2020年。当时，他们与合作者计划进行以石墨烯、氧化钼等材料为基础的极化激元器件研究，以期在纳米尺度对光的传输进行操控。“随着研究深入，我们发现课题面临的结构难点比想象的更多。”胡海回忆。

科研团队首先从科学上发现了一种称为“拓扑转变”的新奇现象。基于这一现象，他们进一步开发出新型极化激元晶体管器件。

“投稿这篇论文时，我们没有拘泥于新奇现象，而是着眼于新器件的创制，通过实验不断优化材料堆叠顺序、沟道尺寸、电极设计等结构。”胡海表示，“我们测试了几十个器件，充分验证了性能的可靠性。”

他回忆：“收到审稿意见时，正值2023年春节，包括戴老师在内，我们几个都‘阳了’。除夕夜那天，我们开展了线上会议，伴随着春节晚会和此起彼伏的咳嗽声，对文章细节进行充分研讨，用追求完美的极致态度修改文章。”

胡海身上这股冲劲，离不开来自中国科学院青年创新促进会（以下简称青促会）研究项目的助力。自2022年起成为青促会会员后的4年里，他将每年获得20万研究经费和绩效补贴作为经济基础，也有机会在这一平台上与院内青年科研人开展交流合作。

国内外紧密合作是关键一环

自2012年回国加入纳米中心，戴庆从零开始建立起课题组，深耕极化激元领域十余年，正在筹建中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室。

长期的海外求学和工作经历让戴庆深刻感受到，在抢占科技制高点的研究工作中，合作是必不可少。此次课题组半年内在Science发表的2篇工作，都离不开与国内外专家的紧密合作。

今年3月，郭相东获得青年科技人才中长期出国 (境)培训专项资资助，带着科学上的奇思妙想前往香港大学进行访学，寻求与极化激元、超构材料等领域内久负盛名的张霜团队开展合作的机会。

来到张霜课题组时，郭相东已经在纳米中心基本完成前期实验。随后，双方在优势互补下成功完成这项工作的最后一块版图。

而胡海承担的关于极化激元晶体管的工作，则是全球光电互联领域必争的制高点。2020年初，通过中国科学院国际合作交流项目资助，胡海前往西班牙光子科学研究所，与光子领域内著名理论学家Javier Garcia de Abajo课题组合作，围绕片上光子信息处理芯片构想开展研究。

“虽然由于疫情导致访问活动缩短为3个月，但这段学习让我对极化激元理论知识体系有了进一步的提升。”胡海说。

最终，双方合作首次报道极化激元的“面内负折射”现象，为构筑极化激元晶体管提供了材料基础。相关成果与知名学者、美国科学院院士Dmitri Basov的成果，同时以“背靠背”形式在Science上发表，意味着中国科研团队跻身国际前列。

拼搏进取的科研氛围、优异的科研平台和充分的科研保障条件，激发了实验室的一批年轻“追光者”勇于挑战科学难题的勇气。

除了胡海和郭相东取得的不俗成绩，他们的师妹、特别研究助理吴晨晨则在硕博联读5年时间里，专注基于极化激元增强液相红外光谱这一项工作，逐步攻克每一个难题，最终成功开发出石墨烯增强的液相红外传感器。相关成果已发表在Advanced Materials期刊上。

吴晨晨在检查石墨烯增强液相红外传感器

年轻的追光者们共同的体会是，面向未来的科学研究，不仅需要埋头苦干，更要有国际化视野，既要善于从科学研究中判断产业技术发展趋势，也要善于从产业需求中提炼关键科学问题。

随着后摩尔时代的到来，光子的纳米尺度调控成为了抢占光电融合领域科技制高点的基础。“作为国家战略科技力量的‘国家队’‘国家人’，我们始终心系‘国家事’、肩扛‘国家责’，力争围绕高性能光电芯片的国家战略需求作出贡献。”戴庆表示。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adi1267

https://doi.org/10.1126/science.adf1251

https://doi.org/10.1002/adma.202110525