扎根超構表面 堅守赤子情懷
——記南京大學物理學院副教授王漱明

倪海波

王漱明

在材料科學領域，先進材料的研究正推動著現代技術的發展。在不斷從大自然中尋找新材料的同時，科學家們正在研制超越自然可用性能的新型復合材料，即直接設計人工“原子”并將其排列成所需的結構而不是僅通過天然材料中的化學成分。這種新型人造材料被稱為超構材料，它最早出現在光學和電磁學領域。它的出現，給材料科學領域注入了新鮮的血液，并引領著新材料原理和器件設計的全新變革。現今，超構材料領域的研究對我們的生活已日益產生重要影響，包括用于高度集成的光學元器件，光子集成芯片、環境和醫療保健傳感等，其研究的神奇魅力和蘊藏的商機也越來越被大多數人發現。

在過去的十余年中，南京大學物理學院副教授王漱明一直在與超構表面、超構材料和表面等離激元學等微納光學體系研究打交道，他的研究內容涉及這些體系的線性、非線性以及量子光學性質等方面，取得了一系列蜚聲國際的科研創新成果。作為南京大學介電體超晶格實驗室的后繼之才，王漱明用一名青年研究者的視野以及探索之心在這一領域研究中埋首耕耘，孕育著超構材料研究中新一輪的科研騰飛。

求索開拓，埋首超構材料研究

談起對于超構材料的研究，王漱明話語的興致逐漸高漲起來。

我國對于超構材料的研究歷史還要追溯到十幾年前。21世紀以來，隨著微納加工技術的迅速發展，光子晶體、超構材料、表面等離激元學等一系列基于固體微納結構的研究課題受到了研究者們的廣泛關注。特別是超構材料，展現出許多新奇的、超常的力、熱、光、聲、電、磁等物理特性，為新型功能材料提供了新思路和新技術。“最初，國內對超構材料的研究還限于理論和數值模擬方面，之后，隨著各類實驗加工設備的逐漸齊全，我們便開始自己加工超構材料，逐步追趕國際研究的腳步，越來越多的研究者也加入了這個行列。”王漱明說道。

王漱明對于超構材料的研究，也是由冥冥中的一些機緣促成的。本科以及研究生時期，他就讀于蘇州大學，他的導師高雷教授，研究視野寬廣，關注超構材料、納米光子學的相關工作。王漱明研究生畢業后，便被推薦給了我國著名的材料物理學家祝世寧院士，加入南京大學介電體超晶格實驗室，攻讀博士學位。在這里，王漱明深入接觸到了超構材料、超構表面、表面等離激元學，以及量子光學等領域的研究工作。博士畢業后，他留在祝院士研究組，作為一名博士后研究人員，繼續在這一領域研究中前行。多年來研究經驗的積累，為他今后從事科研工作打下了堅實的基礎。

在王漱明的介紹下，記者了解到，在微納光子學這一體系中，研究涉及通過設計加工一些人工微結構去輔助或提升一些傳統光學材料沒有的性質，而對于超構材料的研究就為通過人工微結構去研發一些新物質創造了有利條件。對于光波來說，人類感受不到它的微結構，但是能得到一些材料新的共振效應，有了共振以后，光波作用在這些材料上的透射、反射響應就會發生變化。在這種情形之下，就有很多科學家提出來利用超構材料的負折射率、隱身以及超衍射極限等性質作為基礎，來做一些研究拓展，而這也正是早期王漱明所做的工作之一。但是三維體塊超構材料的損耗偏大，微加難度頗大，在光頻波段實現的例子屈指可數，大多數都是在微波波段實現的。針對這個問題，2011年哈佛大學研究者提出了超構表面的設計思想，即利用波長量級甚至亞波長量級的結構單元按要求排布在一個二維平面上，通過調控超構表面中結構單元的共振響應的相位，在超構表面引入橫向的空間漸變的相位分布，從而實現對光場的任意相位調控。超構表面概念的提出，將超構體系對光場各種維度有效和高效的調控推向了現實。“使用超構表面器件實現現有的光學元件的功能，甚至是優于傳統光學元器件的功能，是科研界和產業界都在關注的熱點問題。”王漱明說。

創新不止，實現寬帶連續完美消色差

科學研究要有不竭的創新源泉，王漱明很慶幸自己在超構表面的研究中發現了更多的可能。在他看來，像超構表面等這類新材料，會激發科學家更多創新動力，其研究前景以及未來的應用價值都十分廣闊。這也無形中給予了他更大的信心與動力。近些年來，王漱明團隊將研究焦點放在將超構表面與成像設計、加工和測試結合起來的相關工作中。憑著過硬的研究基礎，以及青年研究者“初生牛犢不怕虎”的研究精神，他們取得了累累科研碩果。

如今，我們看到的光學成像系統都是通過透鏡來實現成像的。但是，目前所有的光學材料都存在一定的色散，不同波長的折射率不一樣就會導致其在寬帶體系里以及光學成像的操作中效果不一樣，進而導致色差的出現。傳統的解決色差的方案會針對不同的需要消色差的鏡頭或透鏡，利用色散不同的光學材料，做成很多的薄透鏡，把它們摞在一起，實現針對帶寬里邊幾個重要的波長可以消色差的目的，剩下的波長的色差范圍也不會跳得太多。但是，這畢竟不是一個完美的消色差過程，傳統的消色差的鏡頭會發現它是非常大和厚重的。每片透鏡上用的材料也不一樣，所以非常貴重。

為了解決這一問題，王漱明團隊提出了利用超構表面設計實現寬帶上連續完美的消色差。事實上，超構表面是解決傳統光學系統結構厚重和設計復雜問題的一種非常有效的方案。通過設計超構表面每個位置上的超構單元的結構、尺寸和排布方式，可以準確地得到所需任意的相位分布。但是，超構表面不可避免地也會像傳統光學器件一樣存在色差的問題。除了組成材料的色散和相同的光程在不同波長下的相位差異以外，組成超構表面的共振單元會產生一定的共振色散，導致超構表面存在比傳統光學器件更大的色差效應。色差問題會使器件在寬波段下的工作精度和效應大打折扣，成為阻礙超構表面器件推向應用的主要障礙。國際上有研究者沿用傳統光學設計中消色差的思路，設計超構表面在某些特定波長實現消色差，有研究者嘗試使用特殊參數的超構表面實現出了很窄帶寬的連續消色差透鏡。但是一直以來，如何實現寬帶連續的消色差器件，并且給出一種可靠的設計方案仍是這一領域的難題。

針對寬帶消色差光學器件設計原理的空白這一國際未解難題，王漱明團隊創新提出了使用幾何相位和共振相位結合的思路，實現了寬帶連續消色差超構表面器件，得到了近紅外寬帶消色差超構表面反射聚焦鏡和反射板。這些結果是國際上到目前為止所報道的最大帶寬的連續消色差超構表面器件，帶寬為中心波長的1/3。這項工作于2017年8月在Nature Communications上發表，受到了學術界和產業界的廣泛關注。

為了能夠將工作方式由反射式轉變為更為方便應用的透射式，王漱明還在已有的近紅外寬帶消色差超構表面的設計方案的基礎上，帶領團隊發展了基于半導體材料的超構表面的材料設計新方法，通過凹凸微結構的設計提供更大的相位補償，成功地在實驗上實現了可見光頻段連續寬帶消色差的超構透鏡。這個工作是現有報道中第一次使用超構透鏡實現的可見光頻段的彩色成像，將會推動超構透鏡在彩色成像的應用方面前進一大步。這項工作于2018年年初，在Nature Nanotechnology上發表。此項成果還獲得了“中國光學十大進展（應用研究類）”的榮譽。

因為王漱明在微納光子學、超構表面和量子等離激元學等領域取得的眾多創新性研究成果，他還受到了國家自然科學基金優秀青年項目“多波段寬帶消色差超構表面成像研究”資助，在這一項目中，他將針對超構表面或超構透鏡固有物理問題，拓展超構透鏡的使用范圍，將深化超構表面新物理和新效應的挖掘作為研究重點。

基于之前的研究成果，王漱明團隊進一步使用可見光消色差超構透鏡，組成一個60×60的透鏡陣列，進行成像。這樣不單可以實現大通光口徑的成像，提高成像亮度，也可以進一步提高透鏡的數值孔徑，得到更高的成像分辨率。同時，透鏡陣列還可以實現對空間物體的光場成像，將不同深度的物體清晰的成像出來，從而實現成像物體的深度提取和速度反演。這個工作也在2019年年初發表在了Nature Nanotechnology上。

科學研究要緊跟領域的發展趨勢。由微納結構構成的超構表面除了在線性光學體系中取得重要進展外，微納光子體系中的非線性效應具有獨特而優異的表現，在頻率變換、光開關、光調制等很多領域有著極其重要的應用。目前，非線性超構表面一些新的科學問題也越來越受到人們的關注。在這一研究趨勢之下，王漱明在其參與的國家自然科學基金重點項目中就對超構表面的非線性研究展開了全新物理性探索。通過對這一項目的研究，王漱明希望能與團隊成員們合作取得具有自主知識產權的研究成果，為非線性超構表面中的非線性光學效應及其在量子光源上的后續應用研究提供可靠的科學依據和技術支撐，為實現高度集成化的非線性納光子器件提供可能的途徑，同時也為非線性超構表面的研究開創新的起點。

推動高維量子糾纏光源新進展

近期，王漱明帶領的南京大學、香港理工大學、中國科學技術大學和華東師范大學研究人員組成的聯合團隊通力合作，在高維量子糾纏光源制備方面取得重要研究進展，通過結合超構透鏡陣列與非線性晶體，成功制備出高維路徑糾纏光源和多光子光源。研究成果以“Metalensarray-based high-dimensional and multi-photon quantum source”為題發表在最新一期的Science上。

量子信息是目前國際上最前沿、最活躍的研究領域之一。隨著光量子信息技術的發展，現有基于非線性光學過程的糾纏量子光源在維度擴展以及光子數增加方面面臨著光學系統復雜、可集成度低、穩定性弱等問題，不能滿足量子通信、量子計算、量子計量等領域對于量子光源的高維度和多光子數的要求，制約了光量子信息處理的大規模集成。超構表面的研究與發展為量子光源及光量子信息技術的發展提供了一條全新的路徑。

該聯合研究團隊將超構透鏡與非線性光學晶體（BBO晶體）組合在一起，構成全新的超構表面量子光源系統。他們設計并制備出10×10超構透鏡陣列，使用泵浦激光入射到該系統，超構透鏡陣列將泵浦激光均分成10×10份，并在BBO晶體中聚焦。聚焦的泵浦光在BBO中發生自發參量下轉換過程，產生一系列信號/閑置光子對。理論上，這一結構制備出的路徑糾纏光子的維度是100維，而且通過增加透鏡陣列數，糾纏光子的維度可以進一步提高。該工作通過將新興研究領域超構表面技術引入量子信息領域，實現了高維度、集成化的雙光子、多光子糾纏光源，突破了現有量子光源的技術瓶頸和信息編碼維度限制，有望應用于高維度的量子通信、量子計算、量子存儲等領域，對于發展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技術具有重要意義。

合作共贏，促進科研成果應用

從事科學研究，是王漱明人生中所做出的重要的抉擇之一。他是幸運的，從求學到科研，一路走來每個階段都有良師益友給予他無私的幫助與支持，這讓王漱明的內心充滿了感恩。

科研啟蒙時期，王漱明本科以及研究生時期的導師——如今蘇州大學物理學院院長高雷的做事態度、做學問的精神就對他的科研之路產生了深刻的影響。科研開拓時期，王漱明博士時期的導師——祝世寧院士，始終將科研的進展與學生的培養放在第一位，這種對于科研工作的嚴謹、踏實的態度，都在潛移默化地影響著他。在祝院士的培養與引導下，王漱明有眾多優秀的師兄師姐都選擇投身于科研之中，許多人成為了材料研究領域的新興之才，而祝院士身上的科研態度、科研精神也在一代代延續下去，薪火相傳，生生不息。

任何一個學科的創新發展，都離不開優秀科研人才的培養。如今的王漱明作為南京大學物理學院“電動力學”課程的助教，協助王振林教授（南京大學副校長）在慢慢加入科研人才培養的行列之中。作為一名年輕的科研從業者，王漱明對于科研人才的培養上也有著屬于自己的獨到見解。在他看來，科研從業者要始終保持對于科學研究的熱忱。幾十年前，中國的科技水平很低，國家的科研人才在惡劣的環境下創新耕耘，如今，科技水平有了質的飛躍，但是我國仍鮮少出現諾獎級的人物及諾獎級科研成果，為了實現這一偉大夢想，就需要新時代的科研人員不能浮躁，保持對科學研究的熱情，不受外界的紛擾，緊跟科技前沿，進行科研創新。除此之外，科研人還要保持與自己所在領域內的科研人員以及研究機構的合作。“科研創新思維匯聚起來的力量是不容小覷的，如果大家能一起將事情做好，達到的成果會是百分之百，而如果不合作，那就是零。就像‘一帶一路’給我們的啟示一樣，只有合作才能達到共贏。”王漱明說。

一直以來，將科研技術推向應用就是王漱明一直在努力的方向。“科研最初大多是一個新效應與新機理的提出，但是這個機理與效應能否經過市場的評定，這是非常關鍵的。”他說。接下來王漱明工作的難點還將集中在超構表面器件的微納加工以及原理的設計中，將超構表面器件往產業化推進。到底超構表面器件的優越性能不能比傳統器件更好，解決一些真正有用的問題，王漱明團隊將會用實際成果做出回答。除此之外，在量子光學體系中，蘊藏著很多深層的物理現象，王漱明還將與團隊成員一起深入其中，進行挖掘。

科研世界的創新永無止境，作為一名青年科研人，王漱明心中的那團科研之火始終在燃燒……無畏前路坎坷，王漱明還會朝著“光”的方向前行下去。