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“90后”追光者:挑战科学极限
来源:中国科学报 甘晓 发表于 2023/8/30

论文被《科学》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职位邀约函,转而申请中国科学院特别研究助理项目,选择留在中国科学院国家纳米科学中心(以下简称纳米中心)继续从事科研工作。


纳米中心研究员戴庆课题组、香港大学教授张霜课题组近日联合其他合作者,共同制造了迄今分辨率最高的光学成像透镜,超越了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《科学》上发表。


戴庆,英国帝国理工学院教授john pendry,张霜和中国科学院外籍院士、香港大学教授张翔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共同第一作者。


大约半年前,郭相东的师兄、纳米中心副研究员胡海也在《科学》上发表了论文。这两位“90后”的年轻学者是戴庆课题组毕业的第一位和第二位博士生。


他们为何如此高产,有哪些“秘籍”?

理论 实验双修


2020年,站在博士毕业的十字路口,郭相东面临重大抉择。做科研是他的兴趣,但一份来自互联网企业的高薪职位邀约函,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年共计60万元的经费资助。他拒绝了企业抛来的橄榄枝,坚定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,让他可以一心扑在科研上。


3年后,郭相东如愿完成一项极具创造力的工作,并将其发表于《科学》。“工作的原创性很高,在理论革新和实验设计上都令人眼前一亮。”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探索,一直没能提出有效53ky开元官网版最新下载的解决方案。


郭相东所在的戴庆课题组与香港大学以及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一种颜色的光,新合成的光比原来不同颜色的光显示出更多细节。


理论上证明这种方法可行之后,科研团队又将这一设想变成了现实。来自张霜课题组的管福鑫等人完成了微波实验验证,郭相东完成了光频段实验验证。其间,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。


追求新奇现象以外

同时实现理论与实验的革新并不容易,这离不开青年科研人员的专心治学。和众多来自中国科学院的青年科研人一样,郭相东的师兄胡海深有同感,中国科学院为他们提供了高水平的平台和条件。


此前,戴庆课题组成功创制极化激元晶体管。今年2月,相关论文发表于《科学》,胡海是这篇论文的第一作者。


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,以期在纳米尺度上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。”胡海回忆道。


科研团队首先从科学上发现了一种被称为“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。


“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。”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。”

收到审稿意见时,正值2023年春节。“包括戴老师在内,当时我们都‘阳’了。除夕那天,我们开了线上会议,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,以追求完美的极致态度修改文章。”胡海说。


研究成果的取得离不开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。2022年,胡海成为青促会会员。此后的4年里,他每年都能获得20万元研究经费和绩效补贴。此外,他还有机会通过这一平台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10余年。目前他们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,合作必不可少。此次课题组半年内在《科学》发表的两篇论文,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)培训专项资助,带着科学上的奇思妙想前往香港大学进行访学,寻求与在极化激元、超构材料等领域内久负盛名的张霜团队开展合作的机会。


来到张霜课题组前,郭相东已在纳米中心基本完成了前期实验。随后,双方在优势互补下成功完成这项工作的最后一块拼图。


而极化激元晶体管工作则是全球光电互联领域的制高点。2020年初,通过中国科学院国际合作交流项目,胡海前往西班牙光子科学研究所,与光子领域著名理论学家javier garcia de abajo课题组展开合作。


“虽然由于新冠疫情致使交流时间缩短为3个月,但这段学习经历让我对极化激元理论知识体系有了进一步的认识。”胡海说。


最终,双方合作首次报道了极化激元的“面内负折射”现象,为构筑极化激元晶体管打下了材料基础。相关成果与知名学者、美国科学院院士dmitri basov的成果,以“背靠背”形式在《科学》发表。这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,激发出实验室一批年轻“追光者”挑战科学难题的勇气。


除了胡海和郭相东之外,他们的师妹、特别研究助理吴晨晨在硕博连读的5年时间里,专注于极化激元增强液相红外光谱这项工作,逐步攻克每一个难题,最终成功研发出石墨烯增强的液相红外传感器。相关成果已发表于《先进材料》。


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,更要有国际化的视野,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

(原载于《中国科学报》2023-08-29 第1版 要闻)


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