- “90后”追光者：挑戰科學極限
- 來源：中國科學報 甘曉 發表于 2023/8/30
論文被《科學》接收了。收到通知的那一刻，郭相東知道自己3年前的那個決定做對了。
當時，他放棄來自互聯網頭部企業的高薪職位邀約函，轉而申請中國科學院特別研究助理項目，選擇留在中國科學院國家納米科學中心（以下簡稱納米中心）繼續從事科研工作。
納米中心研究員戴慶課題組、香港大學教授張霜課題組近日聯合其他合作者，共同制造了迄今分辨率最高的光學成像透鏡，超越了傳統光學成像分辨率的極限。這項極具創造性的研究成果在《科學》上發表。
戴慶，英國帝國理工學院教授John Pendry，張霜和中國科學院外籍院士、香港大學教授張翔是這篇論文的共同通訊作者，香港大學博士后管福鑫、博士生曾可博和郭相東為論文共同第一作者。
大約半年前，郭相東的師兄、納米中心副研究員胡海也在《科學》上發表了論文。這兩位“90后”的年輕學者是戴慶課題組畢業的第一位和第二位博士生。
他們為何如此高產，有哪些“秘籍”？
理論+實驗雙修
2020年，站在博士畢業的十字路口，郭相東面臨重大抉擇。做科研是他的興趣，但一份來自互聯網企業的高薪職位邀約函，撥動了他內心的天平。這時，導師戴慶轉發了一條關于申請中國科學院“特別研究助理”的通知。這是中國科學院為了聚集青年人才從2019年起設置的人才項目。
經過激烈競爭，郭相東最終入選，獲得3年共計60萬元的經費資助。他拒絕了企業拋來的橄欖枝，堅定選擇了追逐科研夢想的道路。他的感受是，“特別研究助理”優厚的福利待遇為青年科研人員在大城市生活解除了后顧之憂，讓他可以一心撲在科研上。
3年后，郭相東如愿完成一項極具創造力的工作，并將其發表于《科學》。“工作的原創性很高，在理論革新和實驗設計上都令人眼前一亮。”他說。
這項工作的目標是進一步提升光學成像技術的分辨率。作為一種新型光學成像技術，“超透鏡”可以突破傳統光學成像分辨率的極限，生成亞波長級別的圖像。
具有“極化激元”模式的材料正是實現超透鏡的優良材料。“極化激元”是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式，通過壓縮光場，可以實現納米尺度光信息的傳輸和處理。
然而，光學系統本身帶來的“誤差”——“本征損耗”始終存在，阻礙著超透鏡分辨率的進一步提高。近20年來，全球科學家圍繞這一關鍵科學問題進行了探索，一直沒能提出有效解決方案。
郭相東所在的戴慶課題組與香港大學以及帝國理工學院的學者合作，圍繞這個難題開展攻關。
研究團隊從理論上創造性地提出“借助多頻率組合的復頻波激發來獲得虛擬增益”的方案。他們用數學公式將復雜的光波轉化為幾種簡單光波的組合，并利用簡單光波提供的信息彌補圖像質量因“本征損耗”導致的損失。
這是一種巧妙的方法，如同用數學計算將光譜中不同顏色的光合成一種顏色的光，新合成的光比原來不同顏色的光顯示出更多細節。
理論上證明這種方法可行之后，科研團隊又將這一設想變成了現實。來自張霜課題組的管福鑫等人完成了微波實驗驗證，郭相東完成了光頻段實驗驗證。其間，光頻段的“基于合成復頻波的碳化硅聲子極化激元光學超透鏡”出爐。
近年來，郭相東致力于追求光與物質相互作用的極限，探索原子制造技術下高壓縮的極化激元材料和器件設計。他選中一種高壓縮的極化激元材料作為基礎，親手做出了合成復頻波的超透鏡。
實驗證明，新的超透鏡將分辨率極限提高了約一個量級，達到了百納米水平。這意味著，科研人員能夠用光學成像的手段“看到”百納米大小的物質。
追求新奇現象以外
同時實現理論與實驗的革新并不容易，這離不開青年科研人員的專心治學。和眾多來自中國科學院的青年科研人一樣，郭相東的師兄胡海深有同感，中國科學院為他們提供了高水平的平臺和條件。
此前，戴慶課題組成功創制極化激元晶體管。今年2月，相關論文發表于《科學》，胡海是這篇論文的第一作者。
圍繞極化激元晶體管的工作始于2020年。當時，他們與合作者計劃進行以石墨烯、氧化鉬等材料為基礎的極化激元器件研究，以期在納米尺度上對光的傳輸進行操控。“隨著研究深入，我們發現課題面臨的結構難點比想象的更多。”胡海回憶道。
科研團隊首先從科學上發現了一種被稱為“拓撲轉變”的新奇現象。基于這一現象，他們進一步開發出新型極化激元晶體管器件。
“我們沒有拘泥于新奇現象，而是著眼于新器件的創制，通過實驗不斷優化材料堆疊順序、溝道尺寸、電極設計等。”胡海表示，“我們測試了幾十個器件，充分驗證了性能的可靠性。”
收到審稿意見時，正值2023年春節。“包括戴老師在內，當時我們都‘陽’了。除夕那天，我們開了線上會議，伴隨著春節晚會和此起彼伏的咳嗽聲，對文章細節進行充分研討，以追求完美的極致態度修改文章。”胡海說。
研究成果的取得離不開中國科學院青年創新促進會（以下簡稱青促會）研究項目的助力。2022年，胡海成為青促會會員。此后的4年里，他每年都能獲得20萬元研究經費和績效補貼。此外，他還有機會通過這一平臺與院內青年科研人開展交流合作。
國內外緊密合作是關鍵一環
自2012年回國加入納米中心，戴慶從零開始建立起課題組，深耕極化激元領域10余年。目前他們正在籌建中國科學院納米光子材料與器件重點實驗室。
長期的海外求學和工作經歷讓戴慶深刻感受到，在搶占科技制高點的研究工作中，合作必不可少。此次課題組半年內在《科學》發表的兩篇論文，都離不開與國內外專家的緊密合作。
今年3月，郭相東獲得青年科技人才中長期出國（境）培訓專項資助，帶著科學上的奇思妙想前往香港大學進行訪學，尋求與在極化激元、超構材料等領域內久負盛名的張霜團隊開展合作的機會。
來到張霜課題組前，郭相東已在納米中心基本完成了前期實驗。隨后，雙方在優勢互補下成功完成這項工作的最后一塊拼圖。
而極化激元晶體管工作則是全球光電互聯領域的制高點。2020年初，通過中國科學院國際合作交流項目，胡海前往西班牙光子科學研究所，與光子領域著名理論學家Javier Garcia de Abajo課題組展開合作。
“雖然由于新冠疫情致使交流時間縮短為3個月，但這段學習經歷讓我對極化激元理論知識體系有了進一步的認識。”胡海說。
最終，雙方合作首次報道了極化激元的“面內負折射”現象，為構筑極化激元晶體管打下了材料基礎。相關成果與知名學者、美國科學院院士Dmitri Basov的成果，以“背靠背”形式在《科學》發表。這意味著中國科研團隊躋身國際前列。
拼搏進取的科研氛圍、優異的科研平臺和充分的科研保障條件，激發出實驗室一批年輕“追光者”挑戰科學難題的勇氣。
除了胡海和郭相東之外，他們的師妹、特別研究助理吳晨晨在碩博連讀的5年時間里，專注于極化激元增強液相紅外光譜這項工作，逐步攻克每一個難題，最終成功研發出石墨烯增強的液相紅外傳感器。相關成果已發表于《先進材料》。
年輕的追光者們共同的體會是，面向未來的科學研究，不僅需要埋頭苦干，更要有國際化的視野，既要善于從科學研究中判斷產業技術發展趨勢，也要善于從產業需求中提煉關鍵科學問題。
隨著后摩爾時代的到來，光子的納米尺度調控成為搶占光電融合領域科技制高點的基礎。“作為國家戰略科技力量的‘國家隊’‘國家人’，我們始終心系‘國家事’、肩扛‘國家責’，力爭圍繞高性能光電芯片的國家戰略需求作出貢獻。”戴慶表示。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adi1267
https://doi.org/10.1126/science.adf1251
https://doi.org/10.1002/adma.202110525
（原載于《中國科學報》2023-08-29 第1版 要聞）
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