“我相信基于全光谱、全平台、纳米尺度对光子的极限操纵来发展的科技，正在改变世界。”新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院助理教授胡光维在全球青年科技领袖峰会上如是说。  

         

超集成、多功能微纳光子学芯片具有巨大的应用前景和市场，其有望逐步发展出与当下微纳电子器件互补，甚至替代新一代计算和信息处理平台，成为新一代颠覆性技术。

         

同时，应用于太阳能收集和辐射制冷的微纳光子器件，更是有望从能源利用角度出发，发展新的清洁能源、缓解全球变暖等，为解决这些全球性挑战提供新的途径。

         

胡光维致力于发展新型微纳光学器件，探索其在光芯片、光计算、光能源和新型生物成像系统等方向的应用。基于原子材料和厘米级光学晶体的新颖纳米光学系统，他首次实现室温下自由空间中高效调控二维材料的能谷自由度，提出并证明低维纳米材料中的转角光子学，为下一代超薄、超集成、多功能衍射光学器件和片上光学系统提供新方法。凭借这些系列创新成果，胡光维成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

 

图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者胡光维

         

提出并证明低维纳米材料中的转角光子学

         

纳米光子学研究光与物质在纳米尺度的相互作用，在现代纳米技术和光学市场中占有重要位置。作为一门新兴交叉学科，纳米光子学的主要研究命题是研发新纳米材料，拓展基础光学物理以及开发新的工程工具，进而制造超紧凑、高集成、多功能的光学系统，助力实现以高端制造和基于片上信息处理的光计算、传感、成像等。

         

为研究纳米结构和光的相互作用，科学家希望将纳米结构的尺寸和光波的尺寸（百纳米级）相匹配。举例来说，金属材料可将光局域在金属表面，它的局域能力大概在两到三倍。由此可见，传统的思路是，要么让材料的尺寸和光波长接近，要么研究清楚材料对光的局域效应。

         

胡光维创新地以“两个极端”作为研究思路，即或将材料的尺寸变得极小或极大。以二维材料为例，当材料变得极小时，其厚度只有一个或几个原子层，因此其尺度远小于光波长尺度。所谓“极大”是指材料尺寸大于光的波长尺寸，例如方解石尺寸在厘米或毫米级，二者尺寸存在千倍甚至万倍的变化。

         

以这种思路为基础，他逐渐探索出“两种极端”情况下实现纳米光子的方法，建立了基于新颖低维量子材料研发原子级厚度和高度紧凑的光电器件的系统性方法论。

         

将原子级厚度的量子材料同传统纳米光子学结构结合，其背后的物理原理是改变量子材料所在系统的边界条件，以此实现对其光电性能的控制。以二维半导体为例， 胡光维 证明了将其与传统金属加工的人工材料集成，利用传统人工材料，改变二维材料所在系统的非线性偶极子激发的边界条件，进而控制其光电响应，实现了非线性光学和谷电子学的应用。

         

（来源：Nature Photonics）

         

胡光维表示：“该方法首次实现了室温下自由空间中，高效读出二维材料的能谷自由度[1]。同时，也完成了非线性全息、光束偏折、非线性光学奇点产生等应用[2]。”

         

系列研究揭示了基于集成传统材料实现原子级厚度的自由空间光学衍射器件，从而同时对光的频率、偏振、自旋、轨道角动量等自由度实现完全控制。该方法将量子材料进一步做成结构，成为人工原子材料，进而改变系统所对应的麦克斯韦方程组中参量及其本构关系。

         

基于此， 胡光维 与团队将人工原子和范德瓦尔斯材料进行旋转堆叠[3,4]，首次揭示并证明了二维材料中的光学平带渠道化模式。在旋转的二维材料体系中，如果放电源，那么它的光子只能沿着一个特定的方向无衍射、无扩散地传播。

         

胡光维解释道：“这就意味着光在纳米尺度下，光子被局域了接近 20 倍，相当于把光子的尺寸比缩小 20 倍。”

         

图丨双层旋转的光学二维材料体系示意图,样品图和结果图（来源：Nature）

值得关注的是，该现象对应于旋转堆叠原子材料结构中的特定转角。在该角度下，光子的能带发生拓扑转变，实现类似魔角石墨烯中的平带超导现象。因此，该角度也被称为“光学魔角”，他进一步通过实验观测到这一现象[5,6]。

         

该研究被英国 Physics World 杂志评选为“2020 年十大物理突破”之一。与此同时，该系列工作开启了转角光子学，并揭示了通过将低维量子材料结构化，来控制光子与能量在纳米近场的传播，向进一步实现超集成的原子级厚度的光学芯片迈出重要的一步。

         

基于传统晶体光学的纳米光子学

         

晶体光学是一门拥有近 300 年历史的古老学科。胡光维通过重新探索这一学科时发现，传统体块光学晶体（例如方解石）可以直接作为中红外和太赫兹的纳米光子学平台。

         

在纳米光子的发展的背景下，他通过研究表明，不同于在体块材料的内部传播，在室温下，光子可以局域在表面并沿表面低损耗、定向长程传播。

         

这得益于 胡光维 理论发现的新型表面光子模式——幽灵激元，并在方解石晶体表面得以证明[7]。 进一步，其研究指出，该材料本身的对称性极其重要，通过降低材料的原子对称性，可以实现光的选择性定向传播[8,9]。

         

（来源：南洋理工大学）

         

该研究被评为“2021 年中国光学十大进展” 之一，同时被美国光学学会以《太阳石上的激元学》为题及内部封面的形式入选光学年度重要进展。

          

胡光维表示，随着传统晶体的成熟加工工艺和在工业生产中的广泛应用，该系列重要成果有望实现颠覆性的、成熟的红外纳米光子芯片。在国防、传感、个人健康、空气监控等场景皆有重要应用。

    

在螺旋上升中进行“科学接力”

         

胡光维出生和成长在大别山的一个乡村，从小接受到严格的教育，在学习和成长的过程中逐渐养成对细节把握的习惯。“成长在中国经济腾飞以及农村快速变革的大环境下，每个人都可以谈各自的梦想。这有助于打破思维的限制，敢于做梦。”胡光维说。

         

他本科毕业于哈尔滨工业大学物理系，专业是光学方向。从基于铌酸锂和液晶等材料的光学全息存储开始着手研究，并对光学物理和光学信息存储、处理等产生了浓厚兴趣。研究中他发现，传统体块材料性能有限、难以集成，很难适应超集成微纳光子科技的发展需求和应用场景。

         

之后，他赴新加坡国立大学电子与计算机工程系读博，为解决上述问题， 胡光维 选择研究超表面与二维材料，博士导师为仇成伟教授以及安德里·亚阿卢（Andrea Alu）教授，在斯坦福大学范汕洄（Shanhui Fan）教授课题组进行博士后研究。博士期间，他还在美国德州大学奥斯汀分校和纽约市立大学访问。

          

“我发现，对事物的认识总是螺旋上升的。”胡光维说。博士期间的研究，让他对光学材料产生了进一步认识。于是，他重新拾起对传统体块状晶体材料的研究，去探索是否有新的基础知识有待挖掘。   

         

“我觉得我们是在进行一种科学接力，相当于在前辈们对自然世界的了解基础上，慢慢地将技术进一步推进。”他说。

         

图丨胡光维在全球青年科技领袖峰会现场（来源：DeepTech）

现在， 胡光维 是新加坡南洋理工大学助理教授，致力于发展新型纳米光子学平台，并开拓其在光计算与能源两个全球重要性课题的应用。

         

谈及做科研的心得， 胡光维 在总结其几位优秀导师对其指导时说道：“做你现在的能力可以做的科研，接下来慢慢地提升自己的能力。也就是说，视野可以很高，但要先去手能触及的地方做研究，接下来再慢慢地让触及的范围更广。”

         

一方面，在高度集成器件上进行高效、低损耗、超快的信息处理是大数据时代的重要追求目标之一。现有的集成电路计算速率受限，能源损耗较大。同时，在加工工艺上，摩尔定律的有效性也遭遇挑战。

         

另一方面， 胡光维 的研究重点还在开发新能源并降低能耗，以及减少化石能源带来的全球变暖效应。通过在可见光及中红外纳米光子学方面的研究积累，他计划带领课题组（https://dr.ntu.edu.sg/cris/rp/rp02126）利用热辐射手段，发展太阳能采集、辐射制冷等技术，拓展微纳光子学在能源利用以及被动降温器件等方面的应用。

         

“未来，我希望能发展出覆盖可见光、中红外以及太赫兹的宽谱、多物理场耦合新型纳米光子科学与技术，为下一代超薄、超集成、多功能衍射光学器件和片上光学系统提供新的方法。”胡光维最后说道。

         

参考资料：

1.Hu, G., Hong, X., Wang, K. et al. Coherent steering of nonlinear chiral valley photons with a synthetic Au–WS2 metasurface. Nature Photonics 13, 467–472 (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0399-1 2.Hong,X.,Hu, G. et al. Research 2020, 9085782(2020). https://spj.science.org/doi/10.34133/2020/9085782

3.Li, P., Hu, G., Dolado, I. et al. Collective near-field coupling and nonlocal phenomena in infrared-phononic metasurfaces for nano-light canalization. Nature Communications 11, 3663 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17425-9

4.Hu, G. et al. Nano Letters 20, 3217-3224, 2020. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05319

5.Hu, G., Ou, Q., Si, G. et al. Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers. Nature 582, 209–213 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2359-9

6.Zhang, Q., Hu, G., Ma, W. et al. Interface nano-optics with van der Waals polaritons. Nature 597, 187–195 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03581-5

7.Ma, W., Hu, G., Hu, D. et al. Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals. Nature 596, 362–366 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03755-1

8.Passler, N.C., Ni, X., Hu, G. et al. Hyperbolic shear polaritons in low-symmetry crystals. Nature 602, 595–600 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04328-y

9. Hu, G., Ma, W., Hu, D. et al. Real-space nanoimaging of hyperbolic shear polaritons in a monoclinic crystal. Nat. Nanotechnol. 18, 64–70 (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01264-4

         

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