本刊記者 汲曉奇

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越強(qiáng)調(diào)學(xué)科之間的交叉和融合。光學(xué)作為物理學(xué)中一個(gè)古老的分支，與21世紀(jì)先進(jìn)的納米微加工技術(shù)和材料生長技術(shù)結(jié)合，誕生了超構(gòu)材料這個(gè)新興交叉學(xué)科。

站在這塊交叉學(xué)科的前沿高地，具備多重身份——南京大學(xué)物理學(xué)院教授、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、教育部新世紀(jì)人才的劉輝，憑著對(duì)科學(xué)的熱愛和執(zhí)著，引領(lǐng)我國光學(xué)超構(gòu)材料前沿發(fā)展，使之在世界舞臺(tái)獨(dú)放異彩。

神奇的光學(xué)超構(gòu)材料

從人類發(fā)明第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，到我們今天日常使用的筆記本電腦和手機(jī)，電子集成技術(shù)取得了巨大的成功。相比電子集成技術(shù)，光子集成技術(shù)卻相對(duì)落后很多?，F(xiàn)在，對(duì)光學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家而言，要面對(duì)的基本問題是：未來人們能否成功實(shí)現(xiàn)光子集成技術(shù)，并將其應(yīng)用于光子計(jì)算呢？為了實(shí)現(xiàn)光子集成芯片，科學(xué)家提出了各種不同的結(jié)構(gòu)體系，其中光學(xué)超構(gòu)材料是目前國際上研究的熱門領(lǐng)域。

“超構(gòu)材料的基本方法是利用各種納米結(jié)構(gòu)單元，在小尺寸上實(shí)現(xiàn)光子的調(diào)控。”而劉輝這幾年的研究主要是結(jié)合光子集成芯片的國家重大需求和超構(gòu)材料的國際前沿領(lǐng)域，圍繞超構(gòu)材料光子集成芯片而開展的。

超構(gòu)材料是科學(xué)家通過模擬自然界中的材料，設(shè)計(jì)并制造出來的一種新型人工微結(jié)構(gòu)材料。由于這種材料的組成單元完全是人為設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)許多自然材料所沒有的新穎而獨(dú)特的性質(zhì)與應(yīng)用，因此我們將這種材料稱為超構(gòu)材料。超構(gòu)材料主要應(yīng)用在對(duì)各種波進(jìn)行調(diào)控，比如早期大多集中在聲波、微波、和太赫茲波領(lǐng)域，隨著波長減小，單元的尺寸越來越小，超構(gòu)材料的制備越來越困難，特別是光學(xué)波段的超構(gòu)材料，在加工與測量方面面臨很多困難與挑戰(zhàn)。

科技人才最重要的價(jià)值體現(xiàn)在他們的創(chuàng)造價(jià)值上，那就是利用掌握的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)造性的勞動(dòng)，提出新的理論和新的解決方法，并轉(zhuǎn)化為新的生產(chǎn)力。在劉輝看來，光學(xué)超構(gòu)材料的未來發(fā)展趨勢也是如此——發(fā)揮本身的優(yōu)勢，與其他領(lǐng)域結(jié)合起來，為解決各種具體應(yīng)用問題提供新的方法和手段。

他提到，目前光學(xué)超構(gòu)材料在生物成像領(lǐng)域有一個(gè)很重要的應(yīng)用——超分辨成像。劉輝談到，最近幾年，科學(xué)家利用光學(xué)超構(gòu)材料制造出的超級(jí)透鏡，可以突破光學(xué)成像的衍射極限，分辨出遠(yuǎn)小于波長尺寸的生物分子，這對(duì)分子生物學(xué)的發(fā)展具有很重要的意義。在光學(xué)超構(gòu)材料的另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域——光信息計(jì)算技術(shù)上如果有所突破，將提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度?？茖W(xué)家提出量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)想，利用量子力學(xué)效應(yīng)，可以大大提高計(jì)算機(jī)的處理速度，量子計(jì)算機(jī)將對(duì)未來信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的飛躍。為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，有很多不同的結(jié)構(gòu)體系，其中可以利用超構(gòu)材料光子芯片上實(shí)現(xiàn)了控制非門的量子邏輯運(yùn)算。劉輝說：“這是光學(xué)超構(gòu)材料在量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用上一個(gè)很重要的進(jìn)展。目前，我自己也正在抓緊時(shí)間，從事相關(guān)方面的研究?！?/p>

不容忽視的耦合作用

正因?yàn)槌瑯?gòu)材料為解決各種具體應(yīng)用問題提供新的方法和手段，所以激發(fā)了很多研究者的興趣，與其有關(guān)的應(yīng)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(jié)構(gòu)單元組成宏觀上連續(xù)的介質(zhì)，通過結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)控制材料的等效參數(shù)，以此來控制材料中光波的傳播行為。

根據(jù)一般的等效介質(zhì)模型，結(jié)構(gòu)單元之間的耦合很小，可以被忽略，但在組成超構(gòu)材料時(shí)情況就完全不一樣，結(jié)構(gòu)單元之間的耦合作用總是存在的，特別是當(dāng)單元之間的距離很近的時(shí)候，這種耦合作用是不能被忽略的。劉輝說，因?yàn)樗鼈儠?huì)對(duì)材料的總體性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。

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

針對(duì)這些問題，這幾年劉輝對(duì)超構(gòu)材料中各種耦合效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。經(jīng)過仔細(xì)比較自然材料和超構(gòu)材料，他發(fā)現(xiàn)，耦合效應(yīng)其實(shí)在自然材料中是普遍存在的一種性質(zhì)。

“就像化學(xué)中原子之間的軌道耦合會(huì)形成復(fù)雜的分子，晶體中原子的近鄰耦合會(huì)形成格波一樣，如果我們借用自然材料中一些現(xiàn)有的理論模型，有可能解決超構(gòu)材料中的各種耦合問題。”科學(xué)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(gè)思路，成功地將量子化學(xué)的軌道理論和凝聚態(tài)物理中格波色散理論用于研究光學(xué)超構(gòu)材料各種耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)耦合超構(gòu)材料的宏觀性質(zhì)可以看作是相互作用結(jié)構(gòu)單元之間“雜化效應(yīng)”的結(jié)果。同時(shí)經(jīng)過系統(tǒng)研究，他還發(fā)現(xiàn)耦合超構(gòu)材料會(huì)具有一系列傳統(tǒng)無耦合超構(gòu)材料所沒有的新奇而有趣的性質(zhì)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)單元之間的耦合作用情況，超構(gòu)材料被分成：超構(gòu)分子、超構(gòu)原子鏈和超構(gòu)晶體。隨著研究的深入，劉輝的靈感被激發(fā)出來，他對(duì)這些材料一一進(jìn)行了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了很多首創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，在國內(nèi)外引起了很大的反響。

劉輝本人因?yàn)樵隈詈铣瑯?gòu)材料方面的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，被多個(gè)國際光學(xué)期刊邀請(qǐng)撰寫相關(guān)的綜述文章，很多國際著名的研究組也對(duì)他的研究工作進(jìn)行了正面的引用和評(píng)價(jià)。

美國工程院士Rice大學(xué)的Naomi J.Halas教授和Peter Norlander教授是surface plasmon領(lǐng)域國際知名學(xué)者，他們?cè)诙嗥恼轮幸昧藙⑤x的工作，并進(jìn)行了正面的評(píng)價(jià)。包括澳大利亞國立大學(xué)的Yuri Kivshar教授，E.Ozbay教授，英國南安普頓大學(xué)的N.I. Zheludev教授、臺(tái)灣大學(xué)蔡定平教授、德國愛爾朗根大學(xué)E. Shamonina教授、荷蘭原子與分子物理研究所的A. Koenderink教授在內(nèi)的超構(gòu)材料領(lǐng)域多位國際知名學(xué)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?yàn)橛辛怂麄兯龅那把毓ぷ?，超?gòu)材料中共振單元之間耦合作用所導(dǎo)致的雜化效應(yīng)正在吸引越來越多的研究者的興趣，一些新奇現(xiàn)象和性質(zhì)不斷被研究報(bào)道，促使產(chǎn)生了普通無耦合超構(gòu)材料中所沒有的應(yīng)用。基于此，耦合超構(gòu)材料已經(jīng)發(fā)展稱為微納光子學(xué)中的一個(gè)重要的分支領(lǐng)域。

在實(shí)驗(yàn)室模擬天體扭曲光線

對(duì)劉輝來說，過去的2013年可圈可點(diǎn)的工作一定非光學(xué)超構(gòu)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(nèi)一流光學(xué)專家組成評(píng)委會(huì)評(píng)選的“2013中國光學(xué)重要成果”。不僅如此，劉輝還受邀參加幾個(gè)國際會(huì)議并作報(bào)告，介紹他們的工作和進(jìn)展。

早期設(shè)計(jì)的超構(gòu)材料的折射率都是均勻分布的，光子在超構(gòu)材料中都是沿著直線傳播。后來，人們將超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行推廣后發(fā)現(xiàn)，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(shè)計(jì)出許多有趣的變換光學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)各種新奇的應(yīng)用，比如電磁隱身衣、光學(xué)引力場等。雖然變換光學(xué)的理論方法聽起來簡單可行，但在實(shí)際材料中實(shí)現(xiàn)起來，卻是非常地困難。

具體到光波段變換光學(xué)超構(gòu)材料研究中，劉輝的思路是，通過控制材料的宏觀參數(shù)來控制波的傳播，具體到光學(xué)超構(gòu)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(lǐng)域，劉輝不畏未知的風(fēng)險(xiǎn)，挑戰(zhàn)了一項(xiàng)有趣的課題——利用變換光學(xué)材料來模擬天體引力場的彎曲時(shí)空，實(shí)現(xiàn)廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力透鏡效應(yīng)?？茖W(xué)的想法很多在存在于理論之中，將之付諸實(shí)踐需要科學(xué)家的實(shí)力，更需要勇氣，這一挑戰(zhàn)在幾年前，就有人提出過相關(guān)的理論模型，卻并沒有人在實(shí)驗(yàn)室完成過。

這3年來，為了在光波段變換光學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面取得突破，劉輝指導(dǎo)學(xué)生盛沖嘗試了各種制備工藝。通過不斷嘗試，最終在實(shí)驗(yàn)中，他們沒有采用結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，而是采用平面波導(dǎo)來制作變換光學(xué)器件；通過光刻膠的旋涂工藝制作厚度變化的波導(dǎo)，以此來控制折射率分布。通過這種技術(shù)，他們?cè)谝粔K微小的光子芯片上，實(shí)現(xiàn)了折射率具有類似中心引力場分布的變換光學(xué)微腔，并終于找到了一種非常有效的方法來實(shí)現(xiàn)光波段變換光學(xué)器件。值得一提的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論很好的符合，很好地印證了理論的科學(xué)性。

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

現(xiàn)在，他們將這項(xiàng)工作總結(jié)成文，發(fā)表在《自然—光子學(xué)》上，在國際上引起了高度關(guān)注，包括《自然》、《科學(xué)美國人》雜志、英國《新科學(xué)家》雜志、國際著名物理網(wǎng)站Phys.Org等主流的國際科學(xué)媒體對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道，評(píng)價(jià)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(duì)論引力透鏡效應(yīng)”“第一次在光子芯片上，用簡單的實(shí)驗(yàn)，精確而漂亮地演繹了愛因斯坦廣義相對(duì)論所描述的部分思想”“用一種獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)模擬天體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)”“科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室模擬天體扭曲光線”。同時(shí)，國內(nèi)專家也給予了密切關(guān)注，《物理》雜志為此邀請(qǐng)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(jīng)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(jí)的拔尖人才，誰就能占據(jù)科技創(chuàng)新的制高點(diǎn)。

在劉輝還在南京大學(xué)物理學(xué)院攻讀研究生時(shí)，導(dǎo)師祝世寧院士學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)、工作踏實(shí)的精神潛移默化地感染學(xué)生時(shí)代的他。恩師鄭重地告訴他，教育永遠(yuǎn)是比科研更重要的事情?？蒲械哪康氖浅龀晒?，教育的目的是培養(yǎng)人才，從長遠(yuǎn)的角度看，培養(yǎng)人才比出科研成果更重要。如今，已成為南京大學(xué)的教師和研究生導(dǎo)師的劉輝認(rèn)為，需要培養(yǎng)的應(yīng)該是研究型人才，僅僅上課傳授知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要通過高水平的科研直接訓(xùn)練學(xué)生。

恩師的言傳身教，讓他懂得了如何成為一名優(yōu)秀教師。因此，他非常重視老師與學(xué)生的交流，他認(rèn)為，經(jīng)常與學(xué)生談?wù)勛约簩?duì)光學(xué)超構(gòu)材料現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)、未來的發(fā)展，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)這個(gè)研究課題的興趣。另外，劉輝也會(huì)帶學(xué)生參加國際會(huì)議、聽學(xué)術(shù)報(bào)告，開闊他們的研究視野，認(rèn)識(shí)這個(gè)領(lǐng)域中的一些優(yōu)秀學(xué)者。他鼓勵(lì)學(xué)生多獨(dú)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(jià)值之處。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生是主角，他只是在一旁指導(dǎo)和討論。只有在學(xué)生完全不會(huì)的情況下，他才動(dòng)手幫助其完成。劉輝說：“培養(yǎng)學(xué)生需要注意的關(guān)鍵問題是，既要不時(shí)地督促學(xué)生，同時(shí)又要有耐心，要給予學(xué)生一定的空間，讓他們自主的學(xué)習(xí)和提高?！?/p>

除去老師的身份，劉輝把自己定義為是一個(gè)“實(shí)驗(yàn)工作者”，于他來說，科研創(chuàng)新就是花好幾年時(shí)間去實(shí)現(xiàn)哪些聰明而富洞見的科學(xué)家在幾十秒鐘靈光一現(xiàn)而產(chǎn)生的想法。為此，他不得不耐心地解決各種復(fù)雜和繁瑣的實(shí)驗(yàn)問題。當(dāng)把所有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都打通了，一項(xiàng)完整的科研創(chuàng)新工作就會(huì)水到渠成。而這個(gè)過程，需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，需要耐得住寂寞，經(jīng)受得住失敗的考驗(yàn)。

愛迪生曾經(jīng)說過，天才是1%的靈感，加上99%的汗水。對(duì)這句話，劉輝的感受愈加深刻?！疤岢鱿敕ǖ倪^程很快，也許就是靈光一現(xiàn)，但要在實(shí)驗(yàn)中做出來，需要漫長而艱苦的努力。”在大多數(shù)情況下，劉輝不能很順利地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，常常不得不為解決一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)問題花好幾個(gè)星期，或者幾個(gè)月，甚至幾年時(shí)間?！拔矣袝r(shí)與學(xué)生搭一個(gè)測量光路，不得不花一個(gè)上午尋找一個(gè)合適的螺絲釘；而當(dāng)我們實(shí)驗(yàn)剛剛有眉目的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)室的鍍膜儀壞了，我們不得不花好幾個(gè)月時(shí)間聯(lián)系國外的工程師維修；而在有些情況下，我們有一個(gè)實(shí)驗(yàn)依據(jù)做了半年，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)在現(xiàn)有條件下無法實(shí)現(xiàn)，因此我們不得不放棄半年多的努力?！?/p>

科研創(chuàng)新就是：嘗試—失敗—思考—再嘗試，如此循環(huán)，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(fā)展注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力。在這條科研苦旅上，劉輝享受著過程，也品嘗著甘甜。