倪海波

王漱明

在材料科學(xué)領(lǐng)域，先進(jìn)材料的研究正推動(dòng)著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展。在不斷從大自然中尋找新材料的同時(shí)，科學(xué)家們正在研制超越自然可用性能的新型復(fù)合材料，即直接設(shè)計(jì)人工“原子”并將其排列成所需的結(jié)構(gòu)而不是僅通過天然材料中的化學(xué)成分。這種新型人造材料被稱為超構(gòu)材料，它最早出現(xiàn)在光學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域。它的出現(xiàn)，給材料科學(xué)領(lǐng)域注入了新鮮的血液，并引領(lǐng)著新材料原理和器件設(shè)計(jì)的全新變革。現(xiàn)今，超構(gòu)材料領(lǐng)域的研究對(duì)我們的生活已日益產(chǎn)生重要影響，包括用于高度集成的光學(xué)元器件，光子集成芯片、環(huán)境和醫(yī)療保健傳感等，其研究的神奇魅力和蘊(yùn)藏的商機(jī)也越來越被大多數(shù)人發(fā)現(xiàn)。

在過去的十余年中，南京大學(xué)物理學(xué)院副教授王漱明一直在與超構(gòu)表面、超構(gòu)材料和表面等離激元學(xué)等微納光學(xué)體系研究打交道，他的研究內(nèi)容涉及這些體系的線性、非線性以及量子光學(xué)性質(zhì)等方面，取得了一系列蜚聲國際的科研創(chuàng)新成果。作為南京大學(xué)介電體超晶格實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域研究中埋首耕耘，孕育著超構(gòu)材料研究中新一輪的科研騰飛。

求索開拓，埋首超構(gòu)材料研究

談起對(duì)于超構(gòu)材料的研究，王漱明話語的興致逐漸高漲起來。

我國對(duì)于超構(gòu)材料的研究歷史還要追溯到十幾年前。21世紀(jì)以來，隨著微納加工技術(shù)的迅速發(fā)展，光子晶體、超構(gòu)材料、表面等離激元學(xué)等一系列基于固體微納結(jié)構(gòu)的研究課題受到了研究者們的廣泛關(guān)注。特別是超構(gòu)材料，展現(xiàn)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(shù)?！白畛酰瑖鴥?nèi)對(duì)超構(gòu)材料的研究還限于理論和數(shù)值模擬方面，之后，隨著各類實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備的逐漸齊全，我們便開始自己加工超構(gòu)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(gè)行列?！蓖跏髡f道。

王漱明對(duì)于超構(gòu)材料的研究，也是由冥冥中的一些機(jī)緣促成的。本科以及研究生時(shí)期，他就讀于蘇州大學(xué)，他的導(dǎo)師高雷教授，研究視野寬廣，關(guān)注超構(gòu)材料、納米光子學(xué)的相關(guān)工作。王漱明研究生畢業(yè)后，便被推薦給了我國著名的材料物理學(xué)家祝世寧院士，加入南京大學(xué)介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室，攻讀博士學(xué)位。在這里，王漱明深入接觸到了超構(gòu)材料、超構(gòu)表面、表面等離激元學(xué)，以及量子光學(xué)等領(lǐng)域的研究工作。博士畢業(yè)后，他留在祝院士研究組，作為一名博士后研究人員，繼續(xù)在這一領(lǐng)域研究中前行。多年來研究經(jīng)驗(yàn)的積累，為他今后從事科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在王漱明的介紹下，記者了解到，在微納光子學(xué)這一體系中，研究涉及通過設(shè)計(jì)加工一些人工微結(jié)構(gòu)去輔助或提升一些傳統(tǒng)光學(xué)材料沒有的性質(zhì)，而對(duì)于超構(gòu)材料的研究就為通過人工微結(jié)構(gòu)去研發(fā)一些新物質(zhì)創(chuàng)造了有利條件。對(duì)于光波來說，人類感受不到它的微結(jié)構(gòu)，但是能得到一些材料新的共振效應(yīng)，有了共振以后，光波作用在這些材料上的透射、反射響應(yīng)就會(huì)發(fā)生變化。在這種情形之下，就有很多科學(xué)家提出來利用超構(gòu)材料的負(fù)折射率、隱身以及超衍射極限等性質(zhì)作為基礎(chǔ)，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(gòu)材料的損耗偏大，微加難度頗大，在光頻波段實(shí)現(xiàn)的例子屈指可數(shù)，大多數(shù)都是在微波波段實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)這個(gè)問題，2011年哈佛大學(xué)研究者提出了超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)思想，即利用波長量級(jí)甚至亞波長量級(jí)的結(jié)構(gòu)單元按要求排布在一個(gè)二維平面上，通過調(diào)控超構(gòu)表面中結(jié)構(gòu)單元的共振響應(yīng)的相位，在超構(gòu)表面引入橫向的空間漸變的相位分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光場的任意相位調(diào)控。超構(gòu)表面概念的提出，將超構(gòu)體系對(duì)光場各種維度有效和高效的調(diào)控推向了現(xiàn)實(shí)?！笆褂贸瑯?gòu)表面器件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的光學(xué)元件的功能，甚至是優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)元器件的功能，是科研界和產(chǎn)業(yè)界都在關(guān)注的熱點(diǎn)問題?！蓖跏髡f。

創(chuàng)新不止，實(shí)現(xiàn)寬帶連續(xù)完美消色差

科學(xué)研究要有不竭的創(chuàng)新源泉，王漱明很慶幸自己在超構(gòu)表面的研究中發(fā)現(xiàn)了更多的可能。在他看來，像超構(gòu)表面等這類新材料，會(huì)激發(fā)科學(xué)家更多創(chuàng)新動(dòng)力，其研究前景以及未來的應(yīng)用價(jià)值都十分廣闊。這也無形中給予了他更大的信心與動(dòng)力。近些年來，王漱明團(tuán)隊(duì)將研究焦點(diǎn)放在將超構(gòu)表面與成像設(shè)計(jì)、加工和測試結(jié)合起來的相關(guān)工作中。憑著過硬的研究基礎(chǔ)，以及青年研究者“初生牛犢不怕虎”的研究精神，他們?nèi)〉昧死劾劭蒲写T果。

如今，我們看到的光學(xué)成像系統(tǒng)都是通過透鏡來實(shí)現(xiàn)成像的。但是，目前所有的光學(xué)材料都存在一定的色散，不同波長的折射率不一樣就會(huì)導(dǎo)致其在寬帶體系里以及光學(xué)成像的操作中效果不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致色差的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的解決色差的方案會(huì)針對(duì)不同的需要消色差的鏡頭或透鏡，利用色散不同的光學(xué)材料，做成很多的薄透鏡，把它們摞在一起，實(shí)現(xiàn)針對(duì)帶寬里邊幾個(gè)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(huì)跳得太多。但是，這畢竟不是一個(gè)完美的消色差過程，傳統(tǒng)的消色差的鏡頭會(huì)發(fā)現(xiàn)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(tuán)隊(duì)提出了利用超構(gòu)表面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬帶上連續(xù)完美的消色差。事實(shí)上，超構(gòu)表面是解決傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)厚重和設(shè)計(jì)復(fù)雜問題的一種非常有效的方案。通過設(shè)計(jì)超構(gòu)表面每個(gè)位置上的超構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)、尺寸和排布方式，可以準(zhǔn)確地得到所需任意的相位分布。但是，超構(gòu)表面不可避免地也會(huì)像傳統(tǒng)光學(xué)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(gòu)表面的共振單元會(huì)產(chǎn)生一定的共振色散，導(dǎo)致超構(gòu)表面存在比傳統(tǒng)光學(xué)器件更大的色差效應(yīng)。色差問題會(huì)使器件在寬波段下的工作精度和效應(yīng)大打折扣，成為阻礙超構(gòu)表面器件推向應(yīng)用的主要障礙。國際上有研究者沿用傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中消色差的思路，設(shè)計(jì)超構(gòu)表面在某些特定波長實(shí)現(xiàn)消色差，有研究者嘗試使用特殊參數(shù)的超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)出了很窄帶寬的連續(xù)消色差透鏡。但是一直以來，如何實(shí)現(xiàn)寬帶連續(xù)的消色差器件，并且給出一種可靠的設(shè)計(jì)方案仍是這一領(lǐng)域的難題。

針對(duì)寬帶消色差光學(xué)器件設(shè)計(jì)原理的空白這一國際未解難題，王漱明團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了使用幾何相位和共振相位結(jié)合的思路，實(shí)現(xiàn)了寬帶連續(xù)消色差超構(gòu)表面器件，得到了近紅外寬帶消色差超構(gòu)表面反射聚焦鏡和反射板。這些結(jié)果是國際上到目前為止所報(bào)道的最大帶寬的連續(xù)消色差超構(gòu)表面器件，帶寬為中心波長的1/3。這項(xiàng)工作于2017年8月在Nature Communications上發(fā)表，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

為了能夠?qū)⒐ぷ鞣绞接煞瓷涫睫D(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉奖銘?yīng)用的透射式，王漱明還在已有的近紅外寬帶消色差超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于半導(dǎo)體材料的超構(gòu)表面的材料設(shè)計(jì)新方法，通過凹凸微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供更大的相位補(bǔ)償，成功地在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了可見光頻段連續(xù)寬帶消色差的超構(gòu)透鏡。這個(gè)工作是現(xiàn)有報(bào)道中第一次使用超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)的可見光頻段的彩色成像，將會(huì)推動(dòng)超構(gòu)透鏡在彩色成像的應(yīng)用方面前進(jìn)一大步。這項(xiàng)工作于2018年年初，在Nature Nanotechnology上發(fā)表。此項(xiàng)成果還獲得了“中國光學(xué)十大進(jìn)展（應(yīng)用研究類）”的榮譽(yù)。

因?yàn)橥跏髟谖⒓{光子學(xué)、超構(gòu)表面和量子等離激元學(xué)等領(lǐng)域取得的眾多創(chuàng)新性研究成果，他還受到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目“多波段寬帶消色差超構(gòu)表面成像研究”資助，在這一項(xiàng)目中，他將針對(duì)超構(gòu)表面或超構(gòu)透鏡固有物理問題，拓展超構(gòu)透鏡的使用范圍，將深化超構(gòu)表面新物理和新效應(yīng)的挖掘作為研究重點(diǎn)。

基于之前的研究成果，王漱明團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用可見光消色差超構(gòu)透鏡，組成一個(gè)60×60的透鏡陣列，進(jìn)行成像。這樣不單可以實(shí)現(xiàn)大通光口徑的成像，提高成像亮度，也可以進(jìn)一步提高透鏡的數(shù)值孔徑，得到更高的成像分辨率。同時(shí)，透鏡陣列還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)成像物體的深度提取和速度反演。這個(gè)工作也在2019年年初發(fā)表在了Nature Nanotechnology上。

科學(xué)研究要緊跟領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。由微納結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超構(gòu)表面除了在線性光學(xué)體系中取得重要進(jìn)展外，微納光子體系中的非線性效應(yīng)具有獨(dú)特而優(yōu)異的表現(xiàn)，在頻率變換、光開關(guān)、光調(diào)制等很多領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。目前，非線性超構(gòu)表面一些新的科學(xué)問題也越來越受到人們的關(guān)注。在這一研究趨勢之下，王漱明在其參與的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目中就對(duì)超構(gòu)表面的非線性研究展開了全新物理性探索。通過對(duì)這一項(xiàng)目的研究，王漱明希望能與團(tuán)隊(duì)成員們合作取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果，為非線性超構(gòu)表面中的非線性光學(xué)效應(yīng)及其在量子光源上的后續(xù)應(yīng)用研究提供可靠的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)高度集成化的非線性納光子器件提供可能的途徑，同時(shí)也為非線性超構(gòu)表面的研究開創(chuàng)新的起點(diǎn)。

推動(dòng)高維量子糾纏光源新進(jìn)展

近期，王漱明帶領(lǐng)的南京大學(xué)、香港理工大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和華東師范大學(xué)研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通力合作，在高維量子糾纏光源制備方面取得重要研究進(jìn)展，通過結(jié)合超構(gòu)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(fā)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(lǐng)域之一。隨著光量子信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有基于非線性光學(xué)過程的糾纏量子光源在維度擴(kuò)展以及光子數(shù)增加方面面臨著光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、可集成度低、穩(wěn)定性弱等問題，不能滿足量子通信、量子計(jì)算、量子計(jì)量等領(lǐng)域?qū)τ诹孔庸庠吹母呔S度和多光子數(shù)的要求，制約了光量子信息處理的大規(guī)模集成。超構(gòu)表面的研究與發(fā)展為量子光源及光量子信息技術(shù)的發(fā)展提供了一條全新的路徑。

該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)將超構(gòu)透鏡與非線性光學(xué)晶體（BBO晶體）組合在一起，構(gòu)成全新的超構(gòu)表面量子光源系統(tǒng)。他們?cè)O(shè)計(jì)并制備出10×10超構(gòu)透鏡陣列，使用泵浦激光入射到該系統(tǒng)，超構(gòu)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(fā)生自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生一系列信號(hào)/閑置光子對(duì)。理論上，這一結(jié)構(gòu)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(shù)，糾纏光子的維度可以進(jìn)一步提高。該工作通過將新興研究領(lǐng)域超構(gòu)表面技術(shù)引入量子信息領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了高維度、集成化的雙光子、多光子糾纏光源，突破了現(xiàn)有量子光源的技術(shù)瓶頸和信息編碼維度限制，有望應(yīng)用于高維度的量子通信、量子計(jì)算、量子存儲(chǔ)等領(lǐng)域，對(duì)于發(fā)展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技術(shù)具有重要意義。

合作共贏，促進(jìn)科研成果應(yīng)用

從事科學(xué)研究，是王漱明人生中所做出的重要的抉擇之一。他是幸運(yùn)的，從求學(xué)到科研，一路走來每個(gè)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(nèi)心充滿了感恩。

科研啟蒙時(shí)期，王漱明本科以及研究生時(shí)期的導(dǎo)師——如今蘇州大學(xué)物理學(xué)院院長高雷的做事態(tài)度、做學(xué)問的精神就對(duì)他的科研之路產(chǎn)生了深刻的影響?？蒲虚_拓時(shí)期，王漱明博士時(shí)期的導(dǎo)師——祝世寧院士，始終將科研的進(jìn)展與學(xué)生的培養(yǎng)放在第一位，這種對(duì)于科研工作的嚴(yán)謹(jǐn)、踏實(shí)的態(tài)度，都在潛移默化地影響著他。在祝院士的培養(yǎng)與引導(dǎo)下，王漱明有眾多優(yōu)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(lǐng)域的新興之才，而祝院士身上的科研態(tài)度、科研精神也在一代代延續(xù)下去，薪火相傳，生生不息。

任何一個(gè)學(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展，都離不開優(yōu)秀科研人才的培養(yǎng)。如今的王漱明作為南京大學(xué)物理學(xué)院“電動(dòng)力學(xué)”課程的助教，協(xié)助王振林教授（南京大學(xué)副校長）在慢慢加入科研人才培養(yǎng)的行列之中。作為一名年輕的科研從業(yè)者，王漱明對(duì)于科研人才的培養(yǎng)上也有著屬于自己的獨(dú)到見解。在他看來，科研從業(yè)者要始終保持對(duì)于科學(xué)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(huán)境下創(chuàng)新耕耘，如今，科技水平有了質(zhì)的飛躍，但是我國仍鮮少出現(xiàn)諾獎(jiǎng)級(jí)的人物及諾獎(jiǎng)級(jí)科研成果，為了實(shí)現(xiàn)這一偉大夢想，就需要新時(shí)代的科研人員不能浮躁，保持對(duì)科學(xué)研究的熱情，不受外界的紛擾，緊跟科技前沿，進(jìn)行科研創(chuàng)新。除此之外，科研人還要保持與自己所在領(lǐng)域內(nèi)的科研人員以及研究機(jī)構(gòu)的合作?！翱蒲袆?chuàng)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(dá)到的成果會(huì)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(dá)到共贏。”王漱明說。

一直以來，將科研技術(shù)推向應(yīng)用就是王漱明一直在努力的方向?！翱蒲凶畛醮蠖嗍且粋€(gè)新效應(yīng)與新機(jī)理的提出，但是這個(gè)機(jī)理與效應(yīng)能否經(jīng)過市場的評(píng)定，這是非常關(guān)鍵的?！彼f。接下來王漱明工作的難點(diǎn)還將集中在超構(gòu)表面器件的微納加工以及原理的設(shè)計(jì)中，將超構(gòu)表面器件往產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。到底超構(gòu)表面器件的優(yōu)越性能不能比傳統(tǒng)器件更好，解決一些真正有用的問題，王漱明團(tuán)隊(duì)將會(huì)用實(shí)際成果做出回答。除此之外，在量子光學(xué)體系中，蘊(yùn)藏著很多深層的物理現(xiàn)象，王漱明還將與團(tuán)隊(duì)成員一起深入其中，進(jìn)行挖掘。

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