——记龚旗煌、肖云峰团队

在光学的前沿探索

    期次:第1476期    作者:■ 校报记者 谢伟滨


北京大学微腔光学课题组部分成员北京大学微腔光学课题组部分成员 ( (右一龚旗煌 右一龚旗煌, , 右三肖云峰 右三肖云峰) )


自从第一台电子计算机诞生以来,现有的计算机都是用电流来传递和处理信息。但是,采用电流作为输运信息的载体难以进一步提高计算机运算速度。而光子计算机以光子作为传递信息的载体,以光运算代替电运算,并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路,其运算速度和存储量将远远超过电子计算机。在以光子计算机为代表的集成光学中,波导和光学微腔是其中两类重要的元器件,波导用于光的传输,光学微腔用于光场的增强,通过它们可以构造出全新的宽带光学信息处理网络。近年来,由龚旗煌院士和肖云峰研究员领导的北京大学“极端光学创新研究团队”对光学微腔进行了深入研究,取得了重大成果,团队的“非对称微腔光场调控新原理研究”项目入选2017年度“中国高等学校十大科技进展”,相关研究发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上。
正如北京天坛的回音壁可以将声波汇聚在一个特定的空间内进行传播,光学微腔中也存在一种相似原理的回音壁模式谐振腔,它利用的是光在介质微腔内表面的连续全反射,从而相干叠加形成谐振模式。通过此方法,光学微腔可以将光子长时间局域在很小的空间内,形成显著的光场增强效应。
课题组最近的新发现正是基于这种光学微腔。为了形象地说明这个工作,肖云峰研究员举了个生动的例子:“如果一个人骑着自行车,那么他很难把一个包裹扔到一辆高速行驶的汽车上。但是如果在人与汽车间建立一个通道,包裹在通道中逐步加速,加到跟汽车的速度一样时,那包裹就很容易过去。设想包裹就是一个光子,骑车的人是一个波导,汽车是微腔,我们通过控制微腔的形状建立混沌通道,就可以把这个光子的动量逐步提高起来,到跟微腔里面模式的动量差不多的时候,光子就可以隧穿过去,所以说微腔的形状很重要。”
为了制备合适的非对称光学微腔,课题组经历了长期的摸索。“这个工作持续时间特别长,中间遇到很多预想不到的困难,但是我们还是一直在努力往前推进,想各种各样的办法。”课题组成员、物理学院2013级博士研究生王栗说。历时三年,课题组终于掌握了可控变形光学微腔的制备技术。“实验现象看到了,但是理论解释还是很难的。”龚旗煌院士指出。除了要建立理论模型,用科学语言把现象定量描述出来,还需要对整个体系进行数值模拟。“我们实际上花了大概两年的时间做这个数值模拟,因为微腔是一个三维的体系。模拟一个二维还相对简单,要模拟一个三维,还只有几百个微米尺度的这个谐振腔,太难了。”肖云峰老师介绍道。后来,课题组成员、信息科学技术学院2014届本科毕业生邵林博前往美国哈佛大学攻读博士学位,利用哈佛大学的计算资源获得了不错的结果。
实验初步完成后,后期文章撰写及理论建立过程中,经常需要课题组成员一起讨论。然而,肖云峰老师、研究论文共同第一作者邵林博和物理学院2014届博士毕业生姜雪峰分别处于三个不同的时区。“为了协调会议时间,肖老师经常需要牺牲个人休息时间,经常可以听到他晚上一边指导女儿做作业,一边参与我们的讨论。有一次远程会议时,肖老师在德国开会,宾馆网络非常不好,我们仨只能打电话来讨论。为了实现三人通信,邵林博找了两部手机同时跟我和肖老师打,然后把一部手机的麦克风对着另一部手机的扬声器,用这种只有电影中才会存在的情景实现了这次会议。”姜雪峰说。
研究成果的获得,除了课题组成员的辛勤工作,也离不开现代光学研究所为师生创造的环境。“光学所的老师之间协作比较多,相互之间有比较多的交流,相互支撑,相互帮忙,可以说是一个和谐发展的集体。”龚旗煌介绍道。研究所里常常组织不同方向教师之间的交流会,“是不留情面的交流,不是讲已经取得的成果,而是讲现在遇到什么难题,未来要做什么”“一个报告可能就一个上午,你讲半个小时然后讨论两三个小时都有可能。”这样的氛围促使教师深刻思考自己的工作是否能够解决这个领域发展的一些瓶颈问题,“因为一个学科一个领域的发展,它总会遇到瓶颈,你不解决,那在这个领域你只能跟着别人走了,但是如果你一旦解决了,你就将推动这个领域往前走”。此外,光学所为学生提供了宽松的学术环境,六年前就开始不以发表论文数量决定可否毕业。“我们的工作是国际化、前沿的,学生是否达到毕业要求由研究生指导小组来判断,真的做出工作了,大家都是认可的,不需要一个国外杂志发表出来才受到认可,学生工作状况导师是很清楚的。”龚旗煌说,“有了这样的环境以后,就可以静下心来做一些比较有意义的、在学术上有较大影响的工作,实际上这几年光学所论文数量一直在提升, 特别是质量提升更快。我们一直在营造这个环境,整个光学所的科研环境是和谐和平静的。”
姜雪峰也认为:“研究组氛围非常和谐,肖老师善于指导学生循序渐进,对于每个学生的第一篇文章,他都会逐字逐句地带着把文章修改一遍,不单是修改文章,而且会告诉我们为什么要做这些修改,经历过这个过程后,大家的文章撰写水平都会得到明显提高。”而最让姜雪峰感动的,还是在他研二暑假时,由于白天温度过高,激光器不稳定,只能在晚上温度较低时做实验,“肖老师和龚老师担心我一个人晚上做实验不安全,就找了两位实验室的师弟轮流陪我做实验,连续一个多月每天从晚上十点做到早上七点,终于取得了这项研究的最重要数据”。
国家和学校的支持也是研究不断取得进展的重要推动力。“我们赶上了一个好时代”,龚旗煌说,北京大学“百人计划”启动、经费配置、硬件设施保障,都保证了研究团队能够迅速投入工作。“国家在经费方面投入比较多,课题组内部也比较和谐,新来的老师如果缺少资源,其他老师会支援,保证不会因为经费或者设备的问题限制了他的科研。”在团队流动研究队伍的建设上,北大每年也会为课题组提供一定的名额。“我们现在也开始大量招收博士后,招聘流动的科研人员,而且自己的博士生也更愿意在课题组继续做博士后,这是比较好的一个现象。”谈及青年科研人员的培养,龚旗煌指出要“捅破天花板”。他说:“我们国家有很多计划都有限制,比如说‘青千学者’必须有到国外做三年博士后的经历,就不是很合理,我们在不同地方呼吁打破这一限制,只要你有真才实干,无论在哪培养,应该都是一样的待遇,这是一种自信,而且我们是有自信的,我们的研究能力处在世界的第一方阵里头。”
对于课题组未来的研究方向,龚旗煌认为,应该是考虑如何把理论的突破应用到产业中去,特别是结合国家需要,突破当前信息行业的瓶颈,推动信息行业的发展。“当然也会结合个人兴趣,其实国家需求就是我们个人兴趣所在之一。”肖云峰说。此外,由于光学微腔增强了光和物质的相互作用,已经成为基础光物理和光子学研究的重要平台,课题组还希望能够利用光学微腔对其他物理过程进行灵敏探测。龚旗煌也提道:“八年前我们讨论研究方向的时候,就在布局,不做那种跟着别人做的事情,而是去做一些更独特的研究;也许这些并不是热门的东西,却是可以解决问题的、能产生重大影响的东西。” 课题组一直有很强的领跑意识,除了指出人才培养不应崇洋媚外,龚旗煌还认为,当前国内的学术评价体系参照了西方的评价标准,虽然使我国在世界科技界的地位有了明显上升,但是,“再往前走就很难,因为你是跟着人家的”。北京大学在校第十三次党代会上提出,2035年北大将居于世界一流大学前列,“那就是要引领,如果还按现在这种模式的话,那么根本赢不了,做得再好,也是第二个‘哈佛’。所以现在我们要改变观点,学术评价方式要有中国特色”。
为了让北大进入世界高等教育的中心,除了要改进学术评价模式,也离不开师生们的努力。因此,对于青年学者和研究生的科研工作,龚旗煌提出了三点建议:一是要为他们创造一个比较宽松的环境,让他们能够静下心来做一两件有长远影响的工作。他回忆起自己读博时的经历:“那时候我们一个项目的经费才五万块钱,我的导师申请到了基金,然后就把经费本给我,由我自己花。所以自由是很重要的,当然是守规则的自由了。这对学术研究很重要,要有感觉去提出一些新的东西来。”二是要有耐心,因为科研是枯燥又困难的。他举了一个自己的例子:“我回国后,搭了荧光上转换实验系统,花了一年多才找到信号。后来在更换旧光谱仪的光栅时,才发现是光栅的正负极装反了导致信号十分微弱。这就是做科研,有时候是很艰苦,但是拿到成果以后还是很高兴的。”最后,龚旗煌希望青年学者和研究生不仅仅要做科研,还要学会跟人交流合作。“因为做科研不是一个人来做,是和许多人合作,因此情商要高。具体到我们这个工作,你不可能把所有的东西都自己做了,例如需要做数值模拟,那么需要有人用大型计算机组帮你一块做。所以要培养自己全面发展,不要变成一个书呆子。”