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光学青年 陈杨:在微纳尺度开拓手性光子学的创新应用
时间:2023-06-26 12:13 点击次数:102

  陈杨博士,中国科学技术大学工程学院特任教授,博士生导师,国家海外高层次青年人才引进计划入选者。

  2010年本科毕业于中国科学技术大学近代物理系,2016年博士毕业于中国科学技术大学精密仪器与机械系,之后在美国密苏里科技大学和新加坡国立大学从事博士后研究工作,于2021年9月加入中国科学技术大学,组建“纳米光子器件与系统”研究组(),主要研究方向包括:微纳光学、微纳光电器件、超表面与超材料等。近两年以第一作者身份在 Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Physical Review Letters 等期刊连续发表论文,受到国内外广泛关注。担任中国激光杂志社 Photonics Research 青年编委以及 、 Nano Letters 、 ACS Nano 等期刊的审稿人,并在多个国际学术会议作邀请报告。

  手性是一项“迷人”的研究,比如我们的左手和右手,两者互为镜像却无法重合,这就是手性。陈杨教授研究的就是光与物质的手性相互作用——手性光子学。

  在采访中,他谈到我们耳熟能详的药物“布洛芬”,根据其分子手性的区别就可以分为“左旋布洛芬”与“右旋布洛芬”,布洛芬的解热镇痛药效主要通过右旋布洛芬实现。目前市面上的药物中有96%以上都是由手性分子构成,手性分子的差异也对药物的药性、毒性具有巨大的影响,此外构成人体的20种基本氨基酸中也仅有甘氨酸不存在手性碳原子,因此手性分子的痕量检测及应用在医学领域中非常重要。未来,陈杨教授将对基于微纳光子学的手性分子痕量检测进行攻关,更好地服务医学领域和社会。

  我研究的大方向一直都是微纳光子学,但在细分领域上主要聚焦于微纳光子学与手性光子学的交叉领域,即:在微纳尺度上研究光与物质的手性相互作用,并通过设计材料、结构对该作用进行增强和调控,最后实现光信息传输与存储、微纳光源以及手性分子检测等应用。

  除了前文中提到的,我将深入研究基于微纳光子学的手性分子痕量检测,在未来,我还将研究超材料和超表面动态调制。由于传统不可调的超表面和超材料功能单一,无法满足生产生活中多种多样的需求,因此利用电学、力学等方法实现超表面、超材料的性能调控非常重要。

  在博士阶段,我加入了中科大褚家如教授课题组,褚老师是从事微机电系统(MEMS)研究的权威专家,但MEMS与微纳光学的研究领域差别很大。机缘巧合,由于我本科毕业于中科大物理专业,褚老师认为我的物理基础较好,因此他在筹建中科大微纳中心时让我学习使用微纳中心的先进设备研究近场光学相关方向。在这里,我学习了各种仪器设备的使用方法,产生了强烈的兴趣和好奇心,并基于文献阅读的新思路,尝试利用聚焦离子束刻蚀(FIB)、电子束光刻(EBL)、近场扫描光学显微镜(s-SNOM)等先进设备进行微纳结构加工和近场光学表征,例如:用FIB加工具有极小间隙的纳米天线,并用s-SNOM研究光场的局域增强。

  博士期间的经历不仅让我与微纳光子学结缘,并且为后续的研究打下了基础。在第一期博士后阶段,我前往了美国密苏里科技大学杨晓东教授课题组,研究工作也由近场光学转向等离激元超表面,基于相关文献的阅读以及博士期间的积累,我开始考虑“是否能在金属上加工倾斜结构的纳米孔”以及“倾斜结构的纳米孔是否具有手性光学响应”等问题,并通过仿真和实验验证了倾斜结构纳米孔可以产生强圆二色谱,这也成为了我逐渐向手性光子学研究领域转变的开端。

  在第二期博士后阶段,我前往新加坡国立大学仇成伟教授课题组,更加深入、全面地开展了微纳尺度手性光子学方面的研究。我们利用连续域束缚态(BIC)超表面实现了手性分子痕量检测;利用近场手性实现二维材料的谷光子在纳米波导中的定向传输;基于倾斜超表面成功实现并观测了手性BIC等。近期,我们还基于布里渊区折叠的新方法,实现了BIC与几何相位的“首次联姻”,实现了自旋-能谷锁定的超表面发光与激射。可能冥冥之中注定,我与微纳光子学和手性光子学有着不解之缘。

  在科研的道路上,总是会充满各种各样的荆棘,但勇于面对挑战总是能够得到收获。在博士阶段,由于导师和同学研究的都是MEMS方向,我的研究缺乏“引路人”和“同路人”,找不到可以学习和讨论的前辈,因此起步阶段异常困难。为了做好研究,我从最简单的问题开始,依靠独立的学习、思考和研究,并付出比常人更多的精力和时间,逐渐掌握了微纳加工和检测设备的使用以及近场光学领域的知识,后来依靠不断的积累以及大量的实验研究,逐渐进入这个领域。

  在进入新加坡国立大学仇老师课题组之前,我的研究内容主要围绕金属材料的单一体系,因此当转向尝试采用钙钛矿、二维材料等复杂材料体系时,材料中的谷激子、激子发光等物理特性会导致设计和分析变得异常复杂,并且多材料体系的加工工作也非常困难,每个问题都需要大量的理论、实验研究来尝试解决,但这段磨砺也为我后续的研究打下了坚实的基础。

  近期,我与哈工大深圳校区的肖淑敏老师课题组、新加坡国立大学仇成伟老师课题组合作,在 Nature 上发表了“基于倾斜超表面实现本征手性BIC”的工作。这项工作其实历时很长,从设计到实验充满了曲折,幸运的是我们没有放弃,最终都坚持不懈地付出了努力,最后也得到了收获。

  2020年,来自国际上三个不同研究组的手性BIC工作同时发表在《 Physical Review Letters 》期刊,引领了手性BIC研究的热潮。此时我们的研究团队也早已完成了倾斜超表面的设计和理论研究工作,但经过与仇成伟老师的讨论,我们一致认为:科学研究不应该以跟随热点和发表文章为目的,在我们目前实现的倾斜超表面设计和理论研究的基础上,如果能够实现实验佐证,将会对学术界、工业界产生更大的影响。

  出于这一想法,我们联系了多个具备先进微纳加工技术的国内研究小组,探讨倾斜角精确可控的倾斜超表面制备方案,然而我们面对的困难可谓“三座”大山:一来这种特殊微纳加工工艺难度大、成本高,需要反复摸索工艺参数,单次加工迭代往往需要两个月以上;二来根据加工结果的反馈,我们需要不断调整结构设计,以期尽量降低加工难度;三来新冠疫情导致很多学校封禁,时断时续的实验进展不仅影响效率,对我们的心态也是巨大的考验。

  多种因素的叠加,导致我们付出了将近一年的努力,却在实验上进展甚微。实验的屡屡受挫,多少也让我有些心灰意冷。但我们仍咬紧牙关在坚持,继续寻找合适的合作团队。最终在2021年,我们找到了哈尔滨工业大学深圳校区的肖淑敏教授课题组,并在较短时间内完成了样品试制工作,让我们信心大增。经过团队的通力合作,我们最终制备出了高质量的倾斜超表面,实现了本征手性连续域束缚态的实验实现与观测。或许是因为这项工作在本领域的重要性,在投稿的第二天 Nature 的编辑就将我们的文章送审了,很快,经过3个月修改与意见回复,这项研究论文成功被接收。

  在我的科研道路上,有两位老师对我影响特别大。一个是我的博士导师褚家如教授,是他教会了我如何做科研,他严谨的治学态度和的勤恳的治学方法一直深深地影响我;另一个是我的博士后导师仇成伟教授,他是领域内的国际领军学者,视野开阔,学术品位高,总是能快速洞察科学问题的内核。在我回国建组以后,我也在尝试从两位杰出学者身上学习如何培养学生。现在我的研究组正在招募硕士、博士研究生和博士后,欢迎对我的研究感兴趣的同学联系我(联系方式:.cn)。

  中国激光杂志社在促进中国光学领域的研究发展,以及推广前沿科技等方面作出了巨大的贡献。中国激光杂志社积极创办了 Photonics R esearch 等高质量的期刊,这些期刊得到了多数光学研究人员的持续关注,由于这些期刊的内容几乎涵盖了光学领域中的所有分支,并且文章质量优异,满足了光学领域诸多研究者的需求,因此在业内具有很大的影响力。

  中国激光杂志社还积极推广前沿科技,帮助读者获取新思路,我最近在《 Nature 》期刊上发表的“基于倾斜超表面实现本征手性BIC”的工作,以及在《 Nature Nanotechnology 》期刊上发表的“二维材料中谷光子的定向传输”研究,都非常荣幸得到了中国激光杂志社“爱光学”公众号在国内的首次推送;此外,中国激光杂志社还每年举办CIOP等国内的光学交流会议,对国内光学的发展起到了很大的推进作用,我也经常积极参与CIOP等会议,并且希望在今年的会议上能够与国内的同行讨论交流、携手共进,共同为中国的光学事业发展作出贡献。

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