“90后”追光者：挑战科学极限

论文被《科学》接收了。收到通知的那一刻，郭相东知道自己3年前的那个决定做对了。

当时，他放弃来自互联网头部企业的高薪职位邀约函，转而申请中国科学院特别研究助理项目，选择留在中国科学院国家纳米科学中心（以下简称纳米中心）继续从事科研工作。

纳米中心研究员戴庆课题组、香港大学教授张霜课题组近日联合其他合作者，共同制造了迄今分辨率最高的光学成像透镜，超越了传统光学成像分辨率的极限。这项极具创造性的研究成果在《科学》上发表。

戴庆，英国帝国理工学院教授John Pendry，张霜和中国科学院外籍院士、香港大学教授张翔是这篇论文的共同通讯作者，香港大学博士后管福鑫、博士生曾可博和郭相东为论文共同第一作者。

大约半年前，郭相东的师兄、纳米中心副研究员胡海也在《科学》上发表了论文。这两位“90后”的年轻学者是戴庆课题组毕业的第一位和第二位博士生。

他们为何如此高产，有哪些“秘籍”？

理论+实验双修

2020年，站在博士毕业的十字路口，郭相东面临重大抉择。做科研是他的兴趣，但一份来自互联网企业的高薪职位邀约函，拨动了他内心的天平。这时，导师戴庆转发了一条关于申请中国科学院“特别研究助理”的通知。这是中国科学院为了聚集青年人才从2019年起设置的人才项目。

经过激烈竞争，郭相东最终入选，获得3年共计60万元的经费资助。他拒绝了企业抛来的橄榄枝，坚定选择了追逐科研梦想的道路。他的感受是，“特别研究助理”优厚的福利待遇为青年科研人员在大城市生活解除了后顾之忧，让他可以一心扑在科研上。

3年后，郭相东如愿完成一项极具创造力的工作，并将其发表于《科学》。“工作的原创性很高，在理论革新和实验设计上都令人眼前一亮。”他说。

这项工作的目标是进一步提升光学成像技术的分辨率。作为一种新型光学成像技术，“超透镜”可以突破传统光学成像分辨率的极限，生成亚波长级别的图像。

具有“极化激元”模式的材料正是实现超透镜的优良材料。“极化激元”是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，通过压缩光场，可以实现纳米尺度光信息的传输和处理。

然而，光学系统本身带来的“误差”——“本征损耗”始终存在，阻碍着超透镜分辨率的进一步提高。近20年来，全球科学家围绕这一关键科学问题进行了探索，一直没能提出有效解决方案。

郭相东所在的戴庆课题组与香港大学以及帝国理工学院的学者合作，围绕这个难题开展攻关。

研究团队从理论上创造性地提出“借助多频率组合的复频波激发来获得虚拟增益”的方案。他们用数学公式将复杂的光波转化为几种简单光波的组合，并利用简单光波提供的信息弥补图像质量因“本征损耗”导致的损失。

这是一种巧妙的方法，如同用数学计算将光谱中不同颜色的光合成一种颜色的光，新合成的光比原来不同颜色的光显示出更多细节。

理论上证明这种方法可行之后，科研团队又将这一设想变成了现实。来自张霜课题组的管福鑫等人完成了微波实验验证，郭相东完成了光频段实验验证。其间，光频段的“基于合成复频波的碳化硅声子极化激元光学超透镜”出炉。

近年来，郭相东致力于追求光与物质相互作用的极限，探索原子制造技术下高压缩的极化激元材料和器件设计。他选中一种高压缩的极化激元材料作为基础，亲手做出了合成复频波的超透镜。

实验证明，新的超透镜将分辨率极限提高了约一个量级，达到了百纳米水平。这意味着，科研人员能够用光学成像的手段“看到”百纳米大小的物质。

追求新奇现象以外

同时实现理论与实验的革新并不容易，这离不开青年科研人员的专心治学。和众多来自中国科学院的青年科研人一样，郭相东的师兄胡海深有同感，中国科学院为他们提供了高水平的平台和条件。

此前，戴庆课题组成功创制极化激元晶体管。今年2月，相关论文发表于《科学》，胡海是这篇论文的第一作者。

围绕极化激元晶体管的工作始于2020年。当时，他们与合作者计划进行以石墨烯、氧化钼等材料为基础的极化激元器件研究，以期在纳米尺度上对光的传输进行操控。“随着研究深入，我们发现课题面临的结构难点比想象的更多。”胡海回忆道。

科研团队首先从科学上发现了一种被称为“拓扑转变”的新奇现象。基于这一现象，他们进一步开发出新型极化激元晶体管器件。

“我们没有拘泥于新奇现象，而是着眼于新器件的创制，通过实验不断优化材料堆叠顺序、沟道尺寸、电极设计等。”胡海表示，“我们测试了几十个器件，充分验证了性能的可靠性。”

收到审稿意见时，正值2023年春节。“包括戴老师在内，当时我们都‘阳’了。除夕那天，我们开了线上会议，伴随着春节晚会和此起彼伏的咳嗽声，对文章细节进行充分研讨，以追求完美的极致态度修改文章。”胡海说。

研究成果的取得离不开中国科学院青年创新促进会（以下简称青促会）研究项目的助力。2022年，胡海成为青促会会员。此后的4年里，他每年都能获得20万元研究经费和绩效补贴。此外，他还有机会通过这一平台与院内青年科研人开展交流合作。

国内外紧密合作是关键一环

自2012年回国加入纳米中心，戴庆从零开始建立起课题组，深耕极化激元领域10余年。目前他们正在筹建中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室。

长期的海外求学和工作经历让戴庆深刻感受到，在抢占科技制高点的研究工作中，合作必不可少。此次课题组半年内在《科学》发表的两篇论文，都离不开与国内外专家的紧密合作。

今年3月，郭相东获得青年科技人才中长期出国（境）培训专项资助，带着科学上的奇思妙想前往香港大学进行访学，寻求与在极化激元、超构材料等领域内久负盛名的张霜团队开展合作的机会。

来到张霜课题组前，郭相东已在纳米中心基本完成了前期实验。随后，双方在优势互补下成功完成这项工作的最后一块拼图。

而极化激元晶体管工作则是全球光电互联领域的制高点。2020年初，通过中国科学院国际合作交流项目，胡海前往西班牙光子科学研究所，与光子领域著名理论学家Javier Garcia de Abajo课题组展开合作。

“虽然由于新冠疫情致使交流时间缩短为3个月，但这段学习经历让我对极化激元理论知识体系有了进一步的认识。”胡海说。

最终，双方合作首次报道了极化激元的“面内负折射”现象，为构筑极化激元晶体管打下了材料基础。相关成果与知名学者、美国科学院院士Dmitri Basov的成果，以“背靠背”形式在《科学》发表。这意味着中国科研团队跻身国际前列。

拼搏进取的科研氛围、优异的科研平台和充分的科研保障条件，激发出实验室一批年轻“追光者”挑战科学难题的勇气。

除了胡海和郭相东之外，他们的师妹、特别研究助理吴晨晨在硕博连读的5年时间里，专注于极化激元增强液相红外光谱这项工作，逐步攻克每一个难题，最终成功研发出石墨烯增强的液相红外传感器。相关成果已发表于《先进材料》。

年轻的追光者们共同的体会是，面向未来的科学研究，不仅需要埋头苦干，更要有国际化的视野，既要善于从科学研究中判断产业技术发展趋势，也要善于从产业需求中提炼关键科学问题。

随着后摩尔时代的到来，光子的纳米尺度调控成为抢占光电融合领域科技制高点的基础。“作为国家战略科技力量的‘国家队’‘国家人’，我们始终心系‘国家事’、肩扛‘国家责’，力争围绕高性能光电芯片的国家战略需求作出贡献。”戴庆表示。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adi1267

https://doi.org/10.1126/science.adf1251

https://doi.org/10.1002/adma.202110525

（原载于《中国科学报》2023-08-29 第1版 要闻）

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