產(chǎn)品中心 應(yīng)用方案 技術(shù)文摘質(zhì)量保證產(chǎn)品選型 下載中心業(yè)內(nèi)動(dòng)態(tài) 選型幫助 品牌介紹 產(chǎn)品一覽 聯(lián)系我們
- “90后”追光者:挑戰(zhàn)科學(xué)極限
- 來源:中國(guó)科學(xué)報(bào) 甘曉 發(fā)表于 2023/8/30
論文被《科學(xué)》接收了。收到通知的那一刻,郭相東知道自己3年前的那個(gè)決定做對(duì)了。
當(dāng)時(shí),他放棄來自互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)的高薪職位邀約函,轉(zhuǎn)而申請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院特別研究助理項(xiàng)目,選擇留在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心(以下簡(jiǎn)稱納米中心)繼續(xù)從事科研工作。
納米中心研究員戴慶課題組、香港大學(xué)教授張霜課題組近日聯(lián)合其他合作者,共同制造了迄今分辨率最高的光學(xué)成像透鏡,超越了傳統(tǒng)光學(xué)成像分辨率的極限。這項(xiàng)極具創(chuàng)造性的研究成果在《科學(xué)》上發(fā)表。
戴慶,英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院教授John Pendry,張霜和中國(guó)科學(xué)院外籍院士、香港大學(xué)教授張翔是這篇論文的共同通訊作者,香港大學(xué)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(xué)》上發(fā)表了論文。這兩位“90后”的年輕學(xué)者是戴慶課題組畢業(yè)的第一位和第二位博士生。
他們?yōu)楹稳绱烁弋a(chǎn),有哪些“秘籍”?
理論+實(shí)驗(yàn)雙修
2020年,站在博士畢業(yè)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(lián)網(wǎng)企業(yè)的高薪職位邀約函,撥動(dòng)了他內(nèi)心的天平。這時(shí),導(dǎo)師戴慶轉(zhuǎn)發(fā)了一條關(guān)于申請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院“特別研究助理”的通知。這是中國(guó)科學(xué)院為了聚集青年人才從2019年起設(shè)置的人才項(xiàng)目。
經(jīng)過激烈競(jìng)爭(zhēng),郭相東最終入選,獲得3年共計(jì)60萬元的經(jīng)費(fèi)資助。他拒絕了企業(yè)拋來的橄欖枝,堅(jiān)定選擇了追逐科研夢(mèng)想的道路。他的感受是,“特別研究助理”優(yōu)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(xiàng)極具創(chuàng)造力的工作,并將其發(fā)表于《科學(xué)》!肮ぷ鞯脑瓌(chuàng)性很高,在理論革新和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上都令人眼前一亮!彼f。
這項(xiàng)工作的目標(biāo)是進(jìn)一步提升光學(xué)成像技術(shù)的分辨率。作為一種新型光學(xué)成像技術(shù),“超透鏡”可以突破傳統(tǒng)光學(xué)成像分辨率的極限,生成亞波長(zhǎng)級(jí)別的圖像。
具有“極化激元”模式的材料正是實(shí)現(xiàn)超透鏡的優(yōu)良材料!皹O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(chǎng),可以實(shí)現(xiàn)納米尺度光信息的傳輸和處理。
然而,光學(xué)系統(tǒng)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(jìn)一步提高。近20年來,全球科學(xué)家圍繞這一關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)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(xué)以及帝國(guó)理工學(xué)院的學(xué)者合作,圍繞這個(gè)難題開展攻關(guān)。
研究團(tuán)隊(duì)從理論上創(chuàng)造性地提出“借助多頻率組合的復(fù)頻波激發(fā)來獲得虛擬增益”的方案。他們用數(shù)學(xué)公式將復(fù)雜的光波轉(zhuǎn)化為幾種簡(jiǎn)單光波的組合,并利用簡(jiǎn)單光波提供的信息彌補(bǔ)圖像質(zhì)量因“本征損耗”導(dǎo)致的損失。
這是一種巧妙的方法,如同用數(shù)學(xué)計(jì)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(xì)節(jié)。
理論上證明這種方法可行之后,科研團(tuán)隊(duì)又將這一設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。來自張霜課題組的管福鑫等人完成了微波實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,郭相東完成了光頻段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其間,光頻段的“基于合成復(fù)頻波的碳化硅聲子極化激元光學(xué)超透鏡”出爐。
近年來,郭相東致力于追求光與物質(zhì)相互作用的極限,探索原子制造技術(shù)下高壓縮的極化激元材料和器件設(shè)計(jì)。他選中一種高壓縮的極化激元材料作為基礎(chǔ),親手做出了合成復(fù)頻波的超透鏡。
實(shí)驗(yàn)證明,新的超透鏡將分辨率極限提高了約一個(gè)量級(jí),達(dá)到了百納米水平。這意味著,科研人員能夠用光學(xué)成像的手段“看到”百納米大小的物質(zhì)。
追求新奇現(xiàn)象以外
同時(shí)實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的革新并不容易,這離不開青年科研人員的專心治學(xué)。和眾多來自中國(guó)科學(xué)院的青年科研人一樣,郭相東的師兄胡海深有同感,中國(guó)科學(xué)院為他們提供了高水平的平臺(tái)和條件。
此前,戴慶課題組成功創(chuàng)制極化激元晶體管。今年2月,相關(guān)論文發(fā)表于《科學(xué)》,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(dāng)時(shí),他們與合作者計(jì)劃進(jìn)行以石墨烯、氧化鉬等材料為基礎(chǔ)的極化激元器件研究,以期在納米尺度上對(duì)光的傳輸進(jìn)行操控!半S著研究深入,我們發(fā)現(xiàn)課題面臨的結(jié)構(gòu)難點(diǎn)比想象的更多!焙;貞浀。
科研團(tuán)隊(duì)首先從科學(xué)上發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“拓?fù)滢D(zhuǎn)變”的新奇現(xiàn)象;谶@一現(xiàn)象,他們進(jìn)一步開發(fā)出新型極化激元晶體管器件。
“我們沒有拘泥于新奇現(xiàn)象,而是著眼于新器件的創(chuàng)制,通過實(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化材料堆疊順序、溝道尺寸、電極設(shè)計(jì)等!焙1硎,“我們測(cè)試了幾十個(gè)器件,充分驗(yàn)證了性能的可靠性!
收到審稿意見時(shí),正值2023年春節(jié)!鞍ù骼蠋熢趦(nèi),當(dāng)時(shí)我們都‘陽’了。除夕那天,我們開了線上會(huì)議,伴隨著春節(jié)晚會(huì)和此起彼伏的咳嗽聲,對(duì)文章細(xì)節(jié)進(jìn)行充分研討,以追求完美的極致態(tài)度修改文章!焙Uf。
研究成果的取得離不開中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱青促會(huì))研究項(xiàng)目的助力。2022年,胡海成為青促會(huì)會(huì)員。此后的4年里,他每年都能獲得20萬元研究經(jīng)費(fèi)和績(jī)效補(bǔ)貼。此外,他還有機(jī)會(huì)通過這一平臺(tái)與院內(nèi)青年科研人開展交流合作。
國(guó)內(nèi)外緊密合作是關(guān)鍵一環(huán)
自2012年回國(guó)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(lǐng)域10余年。目前他們正在籌建中國(guó)科學(xué)院納米光子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
長(zhǎng)期的海外求學(xué)和工作經(jīng)歷讓戴慶深刻感受到,在搶占科技制高點(diǎn)的研究工作中,合作必不可少。此次課題組半年內(nèi)在《科學(xué)》發(fā)表的兩篇論文,都離不開與國(guó)內(nèi)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(zhǎng)期出國(guó)(境)培訓(xùn)專項(xiàng)資助,帶著科學(xué)上的奇思妙想前往香港大學(xué)進(jìn)行訪學(xué),尋求與在極化激元、超構(gòu)材料等領(lǐng)域內(nèi)久負(fù)盛名的張霜團(tuán)隊(duì)開展合作的機(jī)會(huì)。
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(shí)驗(yàn)。隨后,雙方在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)下成功完成這項(xiàng)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(lián)領(lǐng)域的制高點(diǎn)。2020年初,通過中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作交流項(xiàng)目,胡海前往西班牙光子科學(xué)研究所,與光子領(lǐng)域著名理論學(xué)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(shí)間縮短為3個(gè)月,但這段學(xué)習(xí)經(jīng)歷讓我對(duì)極化激元理論知識(shí)體系有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。”胡海說。
最終,雙方合作首次報(bào)道了極化激元的“面內(nèi)負(fù)折射”現(xiàn)象,為構(gòu)筑極化激元晶體管打下了材料基礎(chǔ)。相關(guān)成果與知名學(xué)者、美國(guó)科學(xué)院院士Dmitri Basov的成果,以“背靠背”形式在《科學(xué)》發(fā)表。這意味著中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)躋身國(guó)際前列。
拼搏進(jìn)取的科研氛圍、優(yōu)異的科研平臺(tái)和充分的科研保障條件,激發(fā)出實(shí)驗(yàn)室一批年輕“追光者”挑戰(zhàn)科學(xué)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(shí)間里,專注于極化激元增強(qiáng)液相紅外光譜這項(xiàng)工作,逐步攻克每一個(gè)難題,最終成功研發(fā)出石墨烯增強(qiáng)的液相紅外傳感器。相關(guān)成果已發(fā)表于《先進(jìn)材料》。
年輕的追光者們共同的體會(huì)是,面向未來的科學(xué)研究,不僅需要埋頭苦干,更要有國(guó)際化的視野,既要善于從科學(xué)研究中判斷產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),也要善于從產(chǎn)業(yè)需求中提煉關(guān)鍵科學(xué)問題。
隨著后摩爾時(shí)代的到來,光子的納米尺度調(diào)控成為搶占光電融合領(lǐng)域科技制高點(diǎn)的基礎(chǔ)。“作為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的‘國(guó)家隊(duì)’‘國(guó)家人’,我們始終心系‘國(guó)家事’、肩扛‘國(guó)家責(zé)’,力爭(zhēng)圍繞高性能光電芯片的國(guó)家戰(zhàn)略需求作出貢獻(xiàn)!贝鲬c表示。
相關(guān)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(guó)科學(xué)報(bào)》2023-08-29 第1版 要聞)
- 如果本文收錄的圖片文字侵犯了您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系,我們將在24內(nèi)核實(shí)刪除,謝謝!