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)中國科學(xué)院特別研究助理項(xiàng)目，選擇留在中國科學(xué)院國家納米科學(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，英國帝國理工學(xué)院教授John Pendry，張霜和中國科學(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)中國科學(xué)院“特別研究助理”的通知。這是中國科學(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�說。

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。“隨著研究深入，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�；�于這一現(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。”胡海表示，“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�括戴老師在內(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�海說。

研究成果的取得離不開中國科學(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。

國內(nèi)外緊密合作是關(guān)鍵一環(huán)

自2012年回國加入納米中心，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（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，通過中國科學(xué)院國際合作交流項(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)�！焙�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。這意味著中國科研團(tuán)隊(duì)躋身國際前列。

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)。“作為國家戰(zhàn)略科技力量的‘國家隊(duì)’‘國家人’，我們始終心系‘國家事’、肩扛‘國家責(zé)’，力爭(zhēng)圍繞高性能光電芯片的國家戰(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《中國科學(xué)報(bào)》2023-08-29 第1版 要聞）