當光學遇上納米技術

本刊記者 汲曉奇

現代科學技術的發展越來越強調學科之間的交叉和融合。光學作為物理學中一個古老的分支，與21世紀先進的納米微加工技術和材料生長技術結合，誕生了超構材料這個新興交叉學科。

站在這塊交叉學科的前沿高地，具備多重身份——南京大學物理學院教授、固體微結構物理國家重點實驗室副主任、教育部新世紀人才的劉輝，憑著對科學的熱愛和執著，引領我國光學超構材料前沿發展，使之在世界舞臺獨放異彩。

神奇的光學超構材料

從人類發明第一臺計算機，到我們今天日常使用的筆記本電腦和手機，電子集成技術取得了巨大的成功。相比電子集成技術，光子集成技術卻相對落后很多。現在，對光學領域的科學家而言，要面對的基本問題是：未來人們能否成功實現光子集成技術，并將其應用于光子計算呢？為了實現光子集成芯片，科學家提出了各種不同的結構體系，其中光學超構材料是目前國際上研究的熱門領域。

“超構材料的基本方法是利用各種納米結構單元，在小尺寸上實現光子的調控。”而劉輝這幾年的研究主要是結合光子集成芯片的國家重大需求和超構材料的國際前沿領域，圍繞超構材料光子集成芯片而開展的。

超構材料是科學家通過模擬自然界中的材料，設計并制造出來的一種新型人工微結構材料。由于這種材料的組成單元完全是人為設計的，可以實現許多自然材料所沒有的新穎而獨特的性質與應用，因此我們將這種材料稱為超構材料。超構材料主要應用在對各種波進行調控，比如早期大多集中在聲波、微波、和太赫茲波領域，隨著波長減小，單元的尺寸越來越小，超構材料的制備越來越困難，特別是光學波段的超構材料，在加工與測量方面面臨很多困難與挑戰。

科技人才最重要的價值體現在他們的創造價值上，那就是利用掌握的專業知識進行創造性的勞動，提出新的理論和新的解決方法，并轉化為新的生產力。在劉輝看來，光學超構材料的未來發展趨勢也是如此——發揮本身的優勢，與其他領域結合起來，為解決各種具體應用問題提供新的方法和手段。

他提到，目前光學超構材料在生物成像領域有一個很重要的應用——超分辨成像。劉輝談到，最近幾年，科學家利用光學超構材料制造出的超級透鏡，可以突破光學成像的衍射極限，分辨出遠小于波長尺寸的生物分子，這對分子生物學的發展具有很重要的意義。在光學超構材料的另一個重要的應用領域——光信息計算技術上如果有所突破，將提高計算機的計算速度。科學家提出量子計算機的構想，利用量子力學效應，可以大大提高計算機的處理速度，量子計算機將對未來信息技術的發展產生巨大的飛躍。為了實現量子計算機，有很多不同的結構體系，其中可以利用超構材料光子芯片上實現了控制非門的量子邏輯運算。劉輝說：“這是光學超構材料在量子計算機應用上一個很重要的進展。目前，我自己也正在抓緊時間，從事相關方面的研究。”

不容忽視的耦合作用

正因為超構材料為解決各種具體應用問題提供新的方法和手段，所以激發了很多研究者的興趣，與其有關的應用也層出不窮，但其基本的研究思路卻是非常簡單的：將很多小的結構單元組成宏觀上連續的介質，通過結構單元的設計控制材料的等效參數，以此來控制材料中光波的傳播行為。

根據一般的等效介質模型，結構單元之間的耦合很小，可以被忽略，但在組成超構材料時情況就完全不一樣，結構單元之間的耦合作用總是存在的，特別是當單元之間的距離很近的時候，這種耦合作用是不能被忽略的。劉輝說，因為它們會對材料的總體性質產生很大的影響。

那么，如何建立耦合超構材料理論模型？單元之間的耦合效應會給我們帶來什么新奇的性質？我們能否在耦合超構材料中找到其他新的應用？這些以前沒有考慮甚至被忽視的問題都一一呈現在劉輝眼前。

針對這些問題，這幾年劉輝對超構材料中各種耦合效應進行了系統而深入的研究。經過仔細比較自然材料和超構材料，他發現，耦合效應其實在自然材料中是普遍存在的一種性質。

“就像化學中原子之間的軌道耦合會形成復雜的分子，晶體中原子的近鄰耦合會形成格波一樣，如果我們借用自然材料中一些現有的理論模型，有可能解決超構材料中的各種耦合問題。”科學間也許就存在很多異曲同工之妙，而唯有善于思考的人才能抓住其中的共通之處。

這幾年，劉輝按照這個思路，成功地將量子化學的軌道理論和凝聚態物理中格波色散理論用于研究光學超構材料各種耦合效應，發現耦合超構材料的宏觀性質可以看作是相互作用結構單元之間“雜化效應”的結果。同時經過系統研究，他還發現耦合超構材料會具有一系列傳統無耦合超構材料所沒有的新奇而有趣的性質。

根據結構單元之間的耦合作用情況，超構材料被分成：超構分子、超構原子鏈和超構晶體。隨著研究的深入，劉輝的靈感被激發出來，他對這些材料一一進行了相關的理論和實驗研究，并取得了很多首創發現，在國內外引起了很大的反響。

劉輝本人因為在耦合超構材料方面的學術貢獻，被多個國際光學期刊邀請撰寫相關的綜述文章，很多國際著名的研究組也對他的研究工作進行了正面的引用和評價。

美國工程院士Rice大學的Naomi J.Halas教授和Peter Norlander教授是surface plasmon領域國際知名學者，他們在多篇文章中引用了劉輝的工作，并進行了正面的評價。包括澳大利亞國立大學的Yuri Kivshar教授，E.Ozbay教授，英國南安普頓大學的N.I. Zheludev教授、臺灣大學蔡定平教授、德國愛爾朗根大學E. Shamonina教授、荷蘭原子與分子物理研究所的A. Koenderink教授在內的超構材料領域多位國際知名學者都在多篇文章中援引并高度肯定了他的工作和成果。

正是因為有了他們所做的前沿工作，超構材料中共振單元之間耦合作用所導致的雜化效應正在吸引越來越多的研究者的興趣，一些新奇現象和性質不斷被研究報道，促使產生了普通無耦合超構材料中所沒有的應用。基于此，耦合超構材料已經發展稱為微納光子學中的一個重要的分支領域。

在實驗室模擬天體扭曲光線

對劉輝來說，過去的2013年可圈可點的工作一定非光學超構材料莫屬。他們的成果入選了由中國激光雜志社主辦、多名國內一流光學專家組成評委會評選的“2013中國光學重要成果”。不僅如此，劉輝還受邀參加幾個國際會議并作報告，介紹他們的工作和進展。

早期設計的超構材料的折射率都是均勻分布的，光子在超構材料中都是沿著直線傳播。后來，人們將超構材料的設計方法進行推廣后發現，如果控制折射率是非均勻分布，可以使光線彎曲傳播，由此可以設計出許多有趣的變換光學效應，實現各種新奇的應用，比如電磁隱身衣、光學引力場等。雖然變換光學的理論方法聽起來簡單可行，但在實際材料中實現起來，卻是非常地困難。

具體到光波段變換光學超構材料研究中，劉輝的思路是，通過控制材料的宏觀參數來控制波的傳播，具體到光學超構材料上，是通過控制材料的折射率，來控制光的傳播。在這一前沿領域，劉輝不畏未知的風險，挑戰了一項有趣的課題——利用變換光學材料來模擬天體引力場的彎曲時空，實現廣義相對論所預言的引力透鏡效應。科學的想法很多在存在于理論之中，將之付諸實踐需要科學家的實力，更需要勇氣，這一挑戰在幾年前，就有人提出過相關的理論模型，卻并沒有人在實驗室完成過。

這3年來，為了在光波段變換光學的實驗技術方面取得突破，劉輝指導學生盛沖嘗試了各種制備工藝。通過不斷嘗試，最終在實驗中，他們沒有采用結構單元設計，而是采用平面波導來制作變換光學器件；通過光刻膠的旋涂工藝制作厚度變化的波導，以此來控制折射率分布。通過這種技術，他們在一塊微小的光子芯片上，實現了折射率具有類似中心引力場分布的變換光學微腔，并終于找到了一種非常有效的方法來實現光波段變換光學器件。值得一提的是，實驗結果與理論很好的符合，很好地印證了理論的科學性。

提到這項研究的前景和意義，劉輝告訴記者，與以前的大多數窄帶共振光學微腔相比，非共振光學微腔具有寬波段特性，可以捕獲較寬的連續波段內的光子，這也發展了光學微腔一種新的功能，可以應用于光子芯片上的寬波段激光器、光電探測、光伏器件等。

現在，他們將這項工作總結成文，發表在《自然—光子學》上，在國際上引起了高度關注，包括《自然》、《科學美國人》雜志、英國《新科學家》雜志、國際著名物理網站Phys.Org等主流的國際科學媒體對此進行了報道，評價他們的工作“第一次精確地在光子器件中模擬愛因斯坦廣義相對論引力透鏡效應”“第一次在光子芯片上，用簡單的實驗，精確而漂亮地演繹了愛因斯坦廣義相對論所描述的部分思想”“用一種獨特的光學結構模擬天體動力學性質”“科學家在實驗室模擬天體扭曲光線”。同時，國內專家也給予了密切關注，《物理》雜志為此邀請劉輝撰寫封面文章。

科研精神一脈相承

從世界格局來看，高端人才已經成為國家能否處于世界前列的決定性因素，誰能夠擁有一批國際級的拔尖人才，誰就能占據科技創新的制高點。

在劉輝還在南京大學物理學院攻讀研究生時，導師祝世寧院士學風嚴謹、工作踏實的精神潛移默化地感染學生時代的他。恩師鄭重地告訴他，教育永遠是比科研更重要的事情。科研的目的是出成果，教育的目的是培養人才，從長遠的角度看，培養人才比出科研成果更重要。如今，已成為南京大學的教師和研究生導師的劉輝認為，需要培養的應該是研究型人才，僅僅上課傳授知識是遠遠不夠的，需要通過高水平的科研直接訓練學生。

恩師的言傳身教，讓他懂得了如何成為一名優秀教師。因此，他非常重視老師與學生的交流，他認為，經常與學生談談自己對光學超構材料現狀的認識、未來的發展，可以激發學生對這個研究課題的興趣。另外，劉輝也會帶學生參加國際會議、聽學術報告，開闊他們的研究視野，認識這個領域中的一些優秀學者。他鼓勵學生多獨立思考，并提出自己的想法，并耐心地與他們討論，指出其中不足，也找出有價值之處。在實驗中，學生是主角，他只是在一旁指導和討論。只有在學生完全不會的情況下，他才動手幫助其完成。劉輝說：“培養學生需要注意的關鍵問題是，既要不時地督促學生，同時又要有耐心，要給予學生一定的空間，讓他們自主的學習和提高。”

除去老師的身份，劉輝把自己定義為是一個“實驗工作者”，于他來說，科研創新就是花好幾年時間去實現哪些聰明而富洞見的科學家在幾十秒鐘靈光一現而產生的想法。為此，他不得不耐心地解決各種復雜和繁瑣的實驗問題。當把所有實驗環節都打通了，一項完整的科研創新工作就會水到渠成。而這個過程，需要團隊協作，需要耐得住寂寞，經受得住失敗的考驗。

愛迪生曾經說過，天才是1%的靈感，加上99%的汗水。對這句話，劉輝的感受愈加深刻。“提出想法的過程很快，也許就是靈光一現，但要在實驗中做出來，需要漫長而艱苦的努力。”在大多數情況下，劉輝不能很順利地完成整個實驗，常常不得不為解決一個實驗環節問題花好幾個星期，或者幾個月，甚至幾年時間。“我有時與學生搭一個測量光路，不得不花一個上午尋找一個合適的螺絲釘；而當我們實驗剛剛有眉目的時候，實驗室的鍍膜儀壞了，我們不得不花好幾個月時間聯系國外的工程師維修；而在有些情況下，我們有一個實驗依據做了半年，發現其中一個技術環節在現有條件下無法實現，因此我們不得不放棄半年多的努力。”

科研創新就是：嘗試—失敗—思考—再嘗試，如此循環，直到最后成功。今年，劉輝有幸獲得國家杰出青年基金資助，這為他的科研發展注入了強勁的動力。在這條科研苦旅上，劉輝享受著過程，也品嘗著甘甜。