扎根超构表面 坚守赤子情怀

作者:倪海波来源:发布时间:2021-05-20

 超构材料的出现,给材料科学领域注入了新鲜的血液,并引领着新材料原理和器件设计的全新变革。在过去的十余年中,南京大学物理学院副教授王漱明一直在与超构表面、超构材料和表面等离激元学等微纳光学体系研究打交道,取得了一系列蜚声国际的科研创新成果。作为南京大学介电体超晶格实验室的后继之才,王漱明用一名青年研究者的视野以及探索之心在这一领域研究中埋首耕耘,孕育着超构材料研究中新一轮的科研腾飞。
在材料科学领域,先进材料的研究正推动着现代技术的发展。在不断从大自然中寻找新材料的同时,科学家们正在研制超越自然可用性能的新型复合材料,即直接设计人工“原子”并将其排列成所需的结构而不是仅通过天然材料中的化学成分。这种新型人造材料被称为超构材料,它最早出现在光学和电磁学领域。它的出现,给材料科学领域注入了新鲜的血液,并引领着新材料原理和器件设计的全新变革。现今,超构材料领域的研究对我们的生活已日益产生重要影响,包括用于高度集成的光学元器件,光子集成芯片、环境和医疗保健传感等,其研究的神奇魅力和蕴藏的商机也越来越被大多数人发现。
在过去的十余年中,南京大学物理学院副教授王漱明一直在与超构表面、超构材料和表面等离激元学等微纳光学体系研究打交道,他的研究内容涉及这些体系的线性、非线性以及量子光学性质等方面,取得了一系列蜚声国际的科研创新成果。作为南京大学介电体超晶格实验室的后继之才,王漱明用一名青年研究者的视野以及探索之心在这一领域研究中埋首耕耘,孕育着超构材料研究中新一轮的科研腾飞。
  

求索开拓,埋首超构材料研究

谈起对于超构材料的研究,王漱明话语的兴致逐渐高涨起来。

我国对于超构材料的研究历史还要追溯到十几年前。21世纪以来,随着微纳加工技术的迅速发展,光子晶体、超构材料、表面等离激元学等一系列基于固体微纳结构的研究课题受到了研究者们的广泛关注。特别是超构材料,展现出许多新奇的、超常的力、热、光、声、电、磁等物理特性,为新型功能材料提供了新思路和新技术。“最初,国内对超构材料的研究还限于理论和数值模拟方面,之后,随着各类实验加工设备的逐渐齐全,我们便开始自己加工超构材料,逐步追赶国际研究的脚步,越来越多的研究者也加入了这个行列。”王漱明说道。
王漱明对于超构材料的研究,也是由冥冥中的一些机缘促成的。本科以及研究生时期,他就读于苏州大学,他的导师高雷教授,研究视野宽广,关注超构材料、纳米光子学的相关工作。王漱明研究生毕业后,便被推荐给了我国著名的材料物理学家祝世宁院士,加入南京大学介电体超晶格实验室,攻读博士学位。在这里,王漱明深入接触到了超构材料、超构表面、表面等离激元学,以及量子光学等领域的研究工作。博士毕业后,他留在祝院士研究组,作为一名博士后研究人员,继续在这一领域研究中前行。多年来研究经验的积累,为他今后从事科研工作打下了坚实的基础。
在王漱明的介绍下,记者了解到,在微纳光子学这一体系中,研究涉及通过设计加工一些人工微结构去辅助或提升一些传统光学材料没有的性质,而对于超构材料的研究就为通过人工微结构去研发一些新物质创造了有利条件。对于光波来说,人类感受不到它的微结构,但是能得到一些材料新的共振效应,有了共振以后,光波作用在这些材料上的透射、反射响应就会发生变化。在这种情形之下,就有很多科学家提出来利用超构材料的负折射率、隐身以及超衍射极限等性质作为基础,来做一些研究拓展,而这也正是早期王漱明所做的工作之一。但是三维体块超构材料的损耗偏大,微加难度颇大,在光频波段实现的例子屈指可数,大多数都是在微波波段实现的。针对这个问题,2011年哈佛大学研究者提出了超构表面的设计思想,即利用波长量级甚至亚波长量级的结构单元按要求排布在一个二维平面上,通过调控超构表面中结构单元的共振响应的相位,在超构表面引入横向的空间渐变的相位分布,从而实现对光场的任意相位调控。超构表面概念的提出,将超构体系对光场各种维度有效和高效的调控推向了现实。“使用超构表面器件实现现有的光学元件的功能,甚至是优于传统光学元器件的功能,是科研界和产业界都在关注的热点问题。”王漱明说。
  
创新不止,实现宽带连续完美消色差
科学研究要有不竭的创新源泉,王漱明很庆幸自己在超构表面的研究中发现了更多的可能。在他看来,像超构表面等这类新材料,会激发科学家更多创新动力,其研究前景以及未来的应用价值都十分广阔。这也无形中给予了他更大的信心与动力。近些年来,王漱明团队将研究焦点放在将超构表面与成像设计、加工和测试结合起来的相关工作中。凭着过硬的研究基础,以及青年研究者“初生牛犊不怕虎”的研究精神,他们取得了累累科研硕果。
如今,我们看到的光学成像系统都是通过透镜来实现成像的。但是,目前所有的光学材料都存在一定的色散,不同波长的折射率不一样就会导致其在宽带体系里以及光学成像的操作中效果不一样,进而导致色差的出现。传统的解决色差的方案会针对不同的需要消色差的镜头或透镜,利用色散不同的光学材料,做成很多的薄透镜,把它们摞在一起,实现针对带宽里边几个重要的波长可以消色差的目的,剩下的波长的色差范围也不会跳得太多。但是,这毕竟不是一个完美的消色差过程,传统的消色差的镜头会发现它是非常大和厚重的。每片透镜上用的材料也不一样,所以非常贵重。
为了解决这一问题,王漱明团队提出了利用超构表面设计实现宽带上连续完美的消色差。事实上,超构表面是解决传统光学系统结构厚重和设计复杂问题的一种非常有效的方案。通过设计超构表面每个位置上的超构单元的结构、尺寸和排布方式,可以准确地得到所需任意的相位分布。但是,超构表面不可避免地也会像传统光学器件一样存在色差的问题。除了组成材料的色散和相同的光程在不同波长下的相位差异以外,组成超构表面的共振单元会产生一定的共振色散,导致超构表面存在比传统光学器件更大的色差效应。色差问题会使器件在宽波段下的工作精度和效应大打折扣,成为阻碍超构表面器件推向应用的主要障碍。国际上有研究者沿用传统光学设计中消色差的思路,设计超构表面在某些特定波长实现消色差,有研究者尝试使用特殊参数的超构表面实现出了很窄带宽的连续消色差透镜。但是一直以来,如何实现宽带连续的消色差器件,并且给出一种可靠的设计方案仍是这一领域的难题。
针对宽带消色差光学器件设计原理的空白这一国际未解难题,王漱明团队创新提出了使用几何相位和共振相位结合的思路,实现了宽带连续消色差超构表面器件,得到了近红外宽带消色差超构表面反射聚焦镜和反射板。这些结果是国际上到目前为止所报道的最大带宽的连续消色差超构表面器件,带宽为中心波长的1/3。这项工作于2017年8月在Nature Communications上发表,受到了学术界和产业界的广泛关注。
为了能够将工作方式由反射式转变为更为方便应用的透射式,王漱明还在已有的近红外宽带消色差超构表面的设计方案的基础上,带领团队发展了基于半导体材料的超构表面的材料设计新方法,通过凹凸微结构的设计提供更大的相位补偿,成功地在实验上实现了可见光频段连续宽带消色差的超构透镜。这个工作是现有报道中第一次使用超构透镜实现的可见光频段的彩色成像,将会推动超构透镜在彩色成像的应用方面前进一大步。这项工作于2018年年初,在Nature Nanotechnology上发表。此项成果还获得了“中国光学十大进展(应用研究类)”的荣誉。
因为王漱明在微纳光子学、超构表面和量子等离激元学等领域取得的众多创新性研究成果,他还受到了国家自然科学基金优秀青年项目“多波段宽带消色差超构表面成像研究”资助,在这一项目中,他将针对超构表面或超构透镜固有物理问题,拓展超构透镜的使用范围,将深化超构表面新物理和新效应的挖掘作为研究重点。
基于之前的研究成果,王漱明团队进一步使用可见光消色差超构透镜,组成一个60×60的透镜阵列,进行成像。这样不单可以实现大通光口径的成像,提高成像亮度,也可以进一步提高透镜的数值孔径,得到更高的成像分辨率。同时,透镜阵列还可以实现对空间物体的光场成像,将不同深度的物体清晰的成像出来,从而实现成像物体的深度提取和速度反演。这个工作也在2019年年初发表在了Nature Nanotechnology上。
科学研究要紧跟领域的发展趋势。由微纳结构构成的超构表面除了在线性光学体系中取得重要进展外,微纳光子体系中的非线性效应具有独特而优异的表现,在频率变换、光开关、光调制等很多领域有着极其重要的应用。目前,非线性超构表面一些新的科学问题也越来越受到人们的关注。在这一研究趋势之下,王漱明在其参与的国家自然科学基金重点项目中就对超构表面的非线性研究展开了全新物理性探索。通过对这一项目的研究,王漱明希望能与团队成员们合作取得具有自主知识产权的研究成果,为非线性超构表面中的非线性光学效应及其在量子光源上的后续应用研究提供可靠的科学依据和技术支撑,为实现高度集成化的非线性纳光子器件提供可能的途径,同时也为非线性超构表面的研究开创新的起点。
  
推动高维量子纠缠光源新进展
王漱明带领的南京大学、香港理工大学、中国科学技术大学和华东师范大学研究人员组成的联合团队通力合作,在高维量子纠缠光源制备方面取得重要研究进展,通过结合超构透镜阵列与非线性晶体,成功制备出高维路径纠缠光源和多光子光源。研究成果以“Metalens-array-based high-dimensional and multi-photon quantum source”为题发表在最新一期的Science上。
量子信息是目前国际上最前沿、最活跃的研究领域之一。随着光量子信息技术的发展,现有基于非线性光学过程的纠缠量子光源在维度扩展以及光子数增加方面面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题,不能满足量子通信、量子计算、量子计量等领域对于量子光源的高维度和多光子数的要求,制约了光量子信息处理的大规模集成。超构表面的研究与发展为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条全新的路径。
该联合研究团队将超构透镜与非线性光学晶体(BBO晶体)组合在一起,构成全新的超构表面量子光源系统。他们设计并制备出10×10超构透镜阵列,使用泵浦激光入射到该系统,超构透镜阵列将泵浦激光均分成10×10份,并在BBO晶体中聚焦。聚焦的泵浦光在BBO中发生自发参量下转换过程,产生一系列信号/闲置光子对。理论上,这一结构制备出的路径纠缠光子的维度是100维,而且通过增加透镜阵列数,纠缠光子的维度可以进一步提高。该工作通过将新兴研究领域超构表面技术引入量子信息领域,实现了高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源,突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制,有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域,对于发展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有重要意义。
  
合作共赢,促进科研成果应用
从事科学研究,是王漱明人生中所做出的重要的抉择之一。他是幸运的,从求学到科研,一路走来每个阶段都有良师益友给予他无私的帮助与支持,这让王漱明的内心充满了感恩。
科研启蒙时期,王漱明本科以及研究生时期的导师——如今苏州大学物理学院院长高雷的做事态度、做学问的精神就对他的科研之路产生了深刻的影响。科研开拓时期,王漱明博士时期的导师——祝世宁院士,始终将科研的进展与学生的培养放在第一位,这种对于科研工作的严谨、踏实的态度,都在潜移默化地影响着他。在祝院士的培养与引导下,王漱明有众多优秀的师兄师姐都选择投身于科研之中,许多人成为了材料研究领域的新兴之才,而祝院士身上的科研态度、科研精神也在一代代延续下去,薪火相传,生生不息。
任何一个学科的创新发展,都离不开优秀科研人才的培养。如今的王漱明作为南京大学物理学院“电动力学”课程的助教,协助王振林教授(南京大学副校长)在慢慢加入科研人才培养的行列之中。作为一名年轻的科研从业者,王漱明对于科研人才的培养上也有着属于自己的独到见解。在他看来,科研从业者要始终保持对于科学研究的热忱。几十年前,中国的科技水平很低,国家的科研人才在恶劣的环境下创新耕耘,如今,科技水平有了质的飞跃,但是我国仍鲜少出现诺奖级的人物及诺奖级科研成果,为了实现这一伟大梦想,就需要新时代的科研人员不能浮躁,保持对科学研究的热情,不受外界的纷扰,紧跟科技前沿,进行科研创新。除此之外,科研人还要保持与自己所在领域内的科研人员以及研究机构的合作。“科研创新思维汇聚起来的力量是不容小觑的,如果大家能一起将事情做好,达到的成果会是百分之百,而如果不合作,那就是零。就像‘一带一路’给我们的启示一样,只有合作才能达到共赢。”王漱明说。
一直以来,将科研技术推向应用就是王漱明一直在努力的方向。“科研最初大多是一个新效应与新机理的提出,但是这个机理与效应能否经过市场的评定,这是非常关键的。”他说。接下来王漱明工作的难点还将集中在超构表面器件的微纳加工以及原理的设计中,将超构表面器件往产业化推进。到底超构表面器件的优越性能不能比传统器件更好,解决一些真正有用的问题,王漱明团队将会用实际成果做出回答。除此之外,在量子光学体系中,蕴藏着很多深层的物理现象,王漱明还将与团队成员一起深入其中,进行挖掘。
科研世界的创新永无止境,作为一名青年科研人,王漱明心中的那团科研之火始终在燃烧……无畏前路坎坷,王漱明还会朝着“光”的方向前行下去。科
  
专家简介
王漱明,南京大学物理学院研究员,南京大学博士。他长期从事超构表面、超构材料和等离激元光子学等微纳光学体系以及涉及这些体系的线性、非线性及量子光学性质等方面的研究。发展了使用超构表面实现看待连续消色差光学器件的新理论。设计实现了近红外宽带消色差超构表面反射聚焦镜和反射板;完成了高分辨率白光照明成像和彩色成像,这对超构透镜的理论研究和应用发展有重大的推动,是有报道的首个超构透镜的彩色成像;首次实现了在可见光频段的全彩消色差光场成像,得到不同深度的清晰的彩色成像;实现了现有报道的最小的两比特量子逻辑门-控制-非门。他曾承担或主持了多个国家级、省级项目,并在Nature Nanotechnology、Nature Communications等国际学术期刊上发表SCI论文60余篇。2018年,获得第四届江苏青年光学科技奖和国家自然科学基金优秀青年项目资助。凭借可见光宽带连续消色差超构透镜的研发,获得2018年中国光学十大进展。2020年6月,王漱明与相关合作者合作在高维量子纠缠光源研究中又取得了重大突破,研究成果以“Metalens-array-based high-dimensional and multi-photon quantum source”为题发表在最新一期国际顶级期刊Science上。


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