原創(chuàng) 長(zhǎng)光所Light中心 中國(guó)光學(xué)

記者 | 郭宸孜

編者按

近期，中國(guó)計(jì)算電磁學(xué)和電磁超材料專家、中國(guó)科學(xué)院院士崔鐵軍接受了《Light》編輯郭宸孜的專訪，就編碼和智能電磁超材料中的關(guān)鍵問題，做出了討論和回答；并分享了對(duì)于光學(xué)和電磁超材料發(fā)展的看法；同時(shí)，崔鐵軍院士分享了自身在研究領(lǐng)域發(fā)展和轉(zhuǎn)換過程中的重要經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)年輕學(xué)者的指導(dǎo)建議。

《Light》人物是《Light: Science & Applications》發(fā)起的系列高端人物訪談。首期，我們很榮幸能邀請(qǐng)到傳說中還在自己寫論文和做實(shí)驗(yàn)的儒雅教授——新科院士崔鐵軍。崔鐵軍院士是《Light》從追蹤熱點(diǎn)到引領(lǐng)科學(xué)發(fā)展過程的重要支持者。本期采訪試圖還原一個(gè)高屋建瓴的大視野科學(xué)家，以及他那些溫文爾雅，有血有肉的二三趣事。

崔鐵軍 院士

崔鐵軍，中國(guó)科學(xué)院院士，東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授、博導(dǎo)，作為第一完成人獲2014 年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、2018年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、2016年軍隊(duì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)及2011年教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助。他在《Science》、《Nature》 子刊、《PNAS》和《PRL》等發(fā)表論文400余篇，出版專著3 部，論文被引用3萬余次（H因子86，谷歌學(xué)術(shù)），授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利80余項(xiàng)。崔鐵軍院士對(duì)超材料進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，創(chuàng)造性地提出用數(shù)字編碼表征超材料的新思想及控制電磁波的新方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字編碼和可編程超材料，能實(shí)時(shí)操控電磁波和編碼信息，開創(chuàng)了信息超材料新方向。首次從微波傳輸線的角度研究表面等離激元（SPP）超材料，發(fā)明了一種超薄、柔性、條帶式SPP傳輸線。與傳統(tǒng)微帶線相比，其傳輸特性可定制，并可顯著降低傳輸線間的互耦和干擾。研制出一系列SPP無源器件和有源器件，開辟了基于SPP傳輸線的微波技術(shù)新方向。在傳統(tǒng)超材料領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了寬帶、低損耗超材料的快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，在國(guó)際上率先實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“電磁黑洞”和三維寬帶“隱身斗篷”等物理現(xiàn)象，解決了超材料在某些國(guó)防應(yīng)用中的瓶頸問題，并應(yīng)用于中國(guó)航天、航空、船舶等部門武器裝備的研制。

深度專訪

《Light》記者：我們知道，您之前在UIUC是師從周永祖教授進(jìn)行大尺寸目標(biāo)電磁散射特性的精確快速算法研究。您回國(guó)后，在計(jì)算電磁學(xué)、目標(biāo)雷達(dá)散射特性等領(lǐng)域繼續(xù)研究，產(chǎn)出了很多重要工作，包括精確電磁仿真軟件和我國(guó)首個(gè)高頻電磁散射國(guó)家代碼軟件的開發(fā)，可應(yīng)用于大型目標(biāo)（如飛機(jī)、軍艦）及復(fù)雜環(huán)境等，打破了美國(guó)在這一領(lǐng)域的壟斷和禁運(yùn)，可以說在研究和工程領(lǐng)域取得了很大成就。之后您又開展了電磁超材料的研究，挖掘和驗(yàn)證了很多新的物理現(xiàn)象，包括“電磁黑洞”、“三維寬帶地面隱身衣”等，同時(shí)又在微波超材料領(lǐng)域做了很多超材料天線、超材料隱身表面、超材料天線罩、超材料透鏡等實(shí)用性工作。是什么契機(jī)讓您回國(guó)后有了往電磁超材料方向發(fā)展的想法，因?yàn)閷?duì)于很多年輕的科研人員而言，如何在研究基礎(chǔ)上開拓新方向，如何從工程向基礎(chǔ)延伸或是基礎(chǔ)向工程延伸，是一個(gè)重要的難題。

崔鐵軍：謝謝你提出這個(gè)很“大”的問題。在一個(gè)方向上鉆研一輩子、拓展新方向、基礎(chǔ)和工程的相互轉(zhuǎn)換，是不同的研究范式，每個(gè)研究人員應(yīng)該根據(jù)自身的特點(diǎn)和外界環(huán)境選擇適應(yīng)自己的研究范式。就我而言，我的本碩博就讀于西安電子科技大學(xué)，留校任教兩年后去德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)做洪堡學(xué)者，1997年又赴美在UIUC做博士后和研究科學(xué)家，期間一直從事計(jì)算電磁學(xué)算法研究。加入東南大學(xué)后，開始用這些算法解決目標(biāo)與環(huán)境的雷達(dá)散射特性建模問題，開發(fā)了精確電磁仿真軟件和高頻電磁散射國(guó)家代碼軟件，在科研院所和型號(hào)項(xiàng)目上獲得廣泛應(yīng)用。與超材料的“偶遇”發(fā)生在2004年1月，在新加坡參加PIERS會(huì)議時(shí)遇到MIT孔金鷗教授，向我介紹了左手材料這一新領(lǐng)域，我立即被其奇特的物理景象所吸引，從新加坡回來后即開展一些有意思的理論工作，即探究左手材料的時(shí)間因果性問題，并證明了其電磁能量永遠(yuǎn)為正，分別發(fā)表在2004年8月和9月的Physical Review B上，正式開啟了電磁超材料這一研究方向。因此，我認(rèn)為“抓住機(jī)遇”和“強(qiáng)烈興趣”是開展新方向必不可少的條件。但是，開展新方向和“追熱點(diǎn)”有明顯不同，后者追求短平快，而前者是一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展方向。為了避免使“新方向”變?yōu)椤白窡狳c(diǎn)”，需要有一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，考慮如何發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，體現(xiàn)出自己在這個(gè)方向上的獨(dú)特性。以我自己為例，早期研究以跟蹤國(guó)際前沿為主（我們進(jìn)入超材料方向比國(guó)際同行晚8年左右），“電磁黑洞”、“三維寬帶地面隱身衣”等都是在前人工作基礎(chǔ)上的提高。有了一定基礎(chǔ)后，就開始想如何體現(xiàn)我們的獨(dú)特性。第一次轉(zhuǎn)型是從“追求奇特物理現(xiàn)象”向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)換，因此研制出一系列高性能超材料透鏡、隱身表面、天線罩等，并獲得重要應(yīng)用；第二次轉(zhuǎn)型是探究表面等離激元（SPP）超材料在微波技術(shù)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，首次從微波傳輸線的角度研究SPP超材料，提出一種傳輸特性、色散特性、場(chǎng)分布可定制的SPP傳輸線，并基于此研制了一系列微波SPP無源器件、有源器件和天線，開發(fā)了全SPP的無線通信射頻收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)間距雙通道非視距無線通信（傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)），發(fā)表在最新一期的《Light》【】上。因此，這一系列工作建立了基于SPP傳輸線的微波技術(shù)新方向，目前國(guó)內(nèi)外大量微波學(xué)者和工程師都在開展相關(guān)研究。因此，我個(gè)人認(rèn)為，如果做到“抓住機(jī)遇”、“強(qiáng)烈興趣”、“堅(jiān)持不懈”和“開拓提高”，就能形成一個(gè)新的方向；如果這個(gè)方向和能和國(guó)家重大需求相結(jié)合，就能做得長(zhǎng)久。

崔鐵軍院士工作照

《Light》記者：您2014年在《Light》上發(fā)表的數(shù)字編碼超材料成果【】，開拓了一個(gè)全新的領(lǐng)域，為編碼超材料提供了全新的思路，此后您也是進(jìn)一步拓寬了數(shù)字編碼的可能性和維度，將可編程性、深度學(xué)習(xí)、智能編碼等都引進(jìn)到了數(shù)字編碼超材料中，構(gòu)建了信息超材料系統(tǒng)的體系【】，最近您又實(shí)現(xiàn)了光驅(qū)動(dòng)的數(shù)字編碼超材料，國(guó)內(nèi)外也有很多人跟蹤跟進(jìn)您的工作。您當(dāng)時(shí)如何引入這一新領(lǐng)域的？和傳統(tǒng)超材料有何區(qū)別？您覺得未來數(shù)字編碼超材料的發(fā)展方向在哪里？如果數(shù)字編碼微波超材料能夠成功過渡至光學(xué)波段，您認(rèn)為主要的機(jī)遇和挑戰(zhàn)在于何處，有什么優(yōu)勢(shì)？

崔鐵軍：是的，2014年在《Light》上發(fā)表的數(shù)字編碼和現(xiàn)場(chǎng)可編程超材料應(yīng)該是我們?cè)诔牧涎芯可系囊淮瓮黄?，也是我們長(zhǎng)期積累、長(zhǎng)時(shí)間思考后取得的成果。傳統(tǒng)超材料主要以等效媒質(zhì)參數(shù)和其它物理參數(shù)為基礎(chǔ)，研究對(duì)電磁波的操控、新物理現(xiàn)象、及其可能的工程應(yīng)用，但存在一些限制。對(duì)無源超材料，一旦制備其功能固定，不能實(shí)時(shí)操控電磁波。對(duì)有源超材料，分為可調(diào)超材料和可重構(gòu)超材料，但它們均調(diào)控單元結(jié)構(gòu)本身，因此可調(diào)超材料能實(shí)現(xiàn)單一功能的動(dòng)態(tài)調(diào)控，而可重構(gòu)超材料能實(shí)現(xiàn)很少幾個(gè)不同功能的動(dòng)態(tài)調(diào)控。這兩種超材料均不能實(shí)現(xiàn)對(duì)很多種完全不同功能實(shí)時(shí)調(diào)控。為此，我們2014年提出了數(shù)字編碼超材料的概念，用物理的數(shù)字態(tài)表征超材料，用數(shù)字編碼序列來調(diào)控電磁波。換句話說，應(yīng)用有源器件（例如開關(guān)二極管）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），其單元結(jié)構(gòu)（數(shù)字態(tài)）和超材料序構(gòu)（數(shù)字編碼序列）均可實(shí)時(shí)地現(xiàn)場(chǎng)可編程調(diào)控，使單一超材料能實(shí)現(xiàn)很多完全不同的功能。數(shù)字編碼和FPGA的引入，直接產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)可編程超材料，將算法和軟件注入FPGA可產(chǎn)生軟件化超材料，將機(jī)器學(xué)習(xí)和智能算法注入FPGA可產(chǎn)生智能化超材料，等等，極大地豐富了超材料的內(nèi)涵并擴(kuò)展了其外延，因此我們統(tǒng)稱為信息超材料。信息超材料開創(chuàng)了超材料新方向，其最大特征是在超材料物理空間上構(gòu)建了數(shù)字空間，將物理特征調(diào)控和信息調(diào)控統(tǒng)一起來，已經(jīng)在新架構(gòu)無線通信和微波成像獲得應(yīng)用。將來在新一代電子信息系統(tǒng)可望發(fā)揮重要作用。目前，我們團(tuán)隊(duì)及合作者的信息超材料已經(jīng)從C波段覆蓋到W波段。一些團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在太赫茲頻段（例如南京大學(xué)金飚兵教授、電子科技大學(xué)張雅鑫教授等）和光波段（例如哈工大深圳的肖淑敏教授等）的數(shù)字編碼和可編程超材料取得突破，將對(duì)光電深度融合、光物理與數(shù)字信息一體化、大容量信息傳輸?shù)葞頇C(jī)遇。但是，在太赫茲和光波段信息超材料面臨的挑戰(zhàn)是數(shù)字編碼調(diào)控速度較慢，如何達(dá)到十幾納秒級(jí)調(diào)控是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性課題。

數(shù)字編碼超材料

《Light》記者：您2019年在Light發(fā)表的Smart Metasurface【】和Intelligent metasurface imager and recognizer【】，為大家構(gòu)建了一個(gè)很美好的未來，您認(rèn)為今后這類imager縮小尺寸的可能突破方向在何處？

崔鐵軍：開關(guān)二極管的引入，使超材料單元實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化；FPGA的引入使數(shù)字編碼序列實(shí)時(shí)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程超材料，但不同的功能序列需要人工寫入FPGA。為了使超材料能感知周圍環(huán)境，根據(jù)環(huán)境參數(shù)自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)不同功能，需要在超材料上嵌入一個(gè)感知器件（例如陀螺儀）和自主決策算法，構(gòu)建智能自適應(yīng)超材料，這就是我們2019年在Light發(fā)表的Smart Metasurface工作。更進(jìn)一步，我們將三個(gè)人工智能算法與信息超材料相結(jié)合，在室內(nèi)Wi-Fi環(huán)境下不需要激勵(lì)源即可完成對(duì)室內(nèi)全景成像、將波束聚焦到感興趣的小區(qū)域（例如室內(nèi)人的手部、胸部等）上、以及對(duì)感興趣的動(dòng)作和生命體征（例如手勢(shì)、呼吸）等自動(dòng)識(shí)別等一連串功能，這是我們2019年在Light發(fā)表的Intelligent metasurface imager and recognizer工作。這兩個(gè)工作均和北京大學(xué)李廉林教授團(tuán)隊(duì)合作完成。這兩個(gè)工作對(duì)超材料在未來智慧家庭、智慧小區(qū)、智慧城市的應(yīng)用構(gòu)建了美好前景，目前為了和Wi-Fi信號(hào)相結(jié)合，其頻率設(shè)計(jì)在2.4GHz左右。但我們很容易推廣到其他微波頻段和毫米波頻段。與5G技術(shù)相結(jié)合，將帶來更大的應(yīng)用空間。

崔鐵軍院士獲得《Light》杰出論文獎(jiǎng)

《Light》記者：從更廣闊的角度來看，因?yàn)槌牧辖甑难芯恐饕性趦蓚€(gè)方向：一是物理領(lǐng)域上新的現(xiàn)象和概念的突破；二是工程領(lǐng)域上加工和技術(shù)的突破。您對(duì)這兩個(gè)方向的愿景和期待是什么，您能否為大家預(yù)測(cè)一下未來幾年來超材料相關(guān)的基礎(chǔ)領(lǐng)域能否有重要的突破？此外，能否請(qǐng)您對(duì)超材料的未來進(jìn)行下展望，因?yàn)槟灿泻芏嗟入x子體超材料的工作發(fā)表，您如何看待將來傳統(tǒng)的超材料、等離子體超材料的研究會(huì)如何發(fā)展，以及編碼超材料如何發(fā)展，除了數(shù)字編碼超材料以外，其他的編碼超材料的發(fā)展前景如何？

崔鐵軍：是的，近年來超材料在物理領(lǐng)域上新的現(xiàn)象和概念、在工程領(lǐng)域上加工和技術(shù)均取得很多突破，另外還有基于超材料平臺(tái)的領(lǐng)域融合突破，例如物理域和數(shù)字域的融合統(tǒng)一。在基礎(chǔ)領(lǐng)域方面，近年來拓?fù)浣^緣體超材料、量子超材料取得可喜進(jìn)展，在原子層級(jí)上超材料研究與物理和化學(xué)的結(jié)合將更加緊密，期待著更多的新機(jī)理和新發(fā)現(xiàn)。在工程和技術(shù)層面，現(xiàn)代超材料從1996年P(guān)endry爵士構(gòu)建負(fù)介電常數(shù)的線結(jié)構(gòu)算起已經(jīng)活躍了24年，但其工程應(yīng)用還不盡人意，也應(yīng)該是我國(guó)超材料科研人員要承擔(dān)的歷史職責(zé)。由于我自己的知識(shí)面有限，只能對(duì)熟悉的幾個(gè)方向進(jìn)行展望。關(guān)于微波超材料，除了繼續(xù)挖掘新物理之外，應(yīng)該更多關(guān)注工程應(yīng)用。雷達(dá)隱身、特殊天線和天線罩已經(jīng)邁出可喜一步，有特色的微波透鏡和射頻器件也有重大需求。關(guān)于光波超材料，因?yàn)槠浠締卧尚≈良{米級(jí)尺度，蘊(yùn)含著更多物理發(fā)現(xiàn)的契機(jī)。近年來，超材料光學(xué)透鏡、突破衍射極限光刻等取得重大進(jìn)展，但若獲得工程應(yīng)用，如何提高其性價(jià)比是值得研究的課題。關(guān)于微波表面等離激元超材料，現(xiàn)在已經(jīng)基本構(gòu)建了從SPP傳輸線、無源器件、有源器件、天線到SPP無線系統(tǒng)的完整框架，但SPP有源器件（各類放大器和混頻器）和SPP系統(tǒng)還有大量的工作值得研究，以便更好地服務(wù)于5G。關(guān)于信息超材料，因?yàn)闃?gòu)建了物理空間和數(shù)字空間的高速公路，可實(shí)現(xiàn)射頻和基帶一體化，因此有望在新架構(gòu)電子信息系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。目前，信息超材料已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外通信領(lǐng)域的極大關(guān)注，被認(rèn)為是6G無線通信的技術(shù)途徑之一，正在制定相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

《Light》記者：有沒有哪個(gè)想法或是構(gòu)思，是您做了一段時(shí)間之后，發(fā)現(xiàn)不可行的或是放棄了的？

崔鐵軍：有一些。在研究零折射率材料時(shí)，我們證明直角坐標(biāo)系下各向異性零折射率材料可將其內(nèi)部任何源輻射的電磁波轉(zhuǎn)換為近乎完美的平面波，且平面波波前的面積大于各向異性零折射率材料的幾何面積，因此試圖證明各向異性零折射率材料的增益能否突破極限。但后來放棄了，因?yàn)榧词乖诶硐肭闆r下，平面波波前的振幅也做不到均勻分布，因此其增益只能趨近于極限值。

開會(huì)中還在工作的萌萌的崔院士

《Light》記者：最后采訪一下一些比較私人的話題，在您的人生中，哪一段經(jīng)歷讓您印象深刻并且對(duì)您的影響最重要？工作之余您有什么興趣愛好？您認(rèn)為優(yōu)秀的學(xué)生應(yīng)該具備哪些素質(zhì)？您更注重培養(yǎng)學(xué)生哪些方面的能力？

崔鐵軍：對(duì)我來說，初中畢業(yè)時(shí)的抉擇（讀中專還是高中）對(duì)我的影響最重要。工作之余的時(shí)間其實(shí)并不多，之前打羽毛球，現(xiàn)在多走路。學(xué)生的種類很多，其追求目標(biāo)也不相同，每類學(xué)生都有其優(yōu)秀特質(zhì)。我認(rèn)為最重要的素質(zhì)是具有堅(jiān)定的、不浮躁的內(nèi)心。學(xué)生能力的培養(yǎng)也要根據(jù)其自身特點(diǎn)而量身定制，例如創(chuàng)造性、獨(dú)立從事研究的能力、解決工程問題的能力等。

崔鐵軍院士與學(xué)生交談

《Light》記者：對(duì)《Light》和您新?lián)尉幬男驴秂Light》的寄語。

崔鐵軍：希望《Light》和《eLight》成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者原始創(chuàng)新的發(fā)源地、高端研究成果的載體、工程和系統(tǒng)創(chuàng)新的平臺(tái)。

崔鐵軍院士參加《Light》香港辦公室揭幕儀式

參考文獻(xiàn)

1. https://www.nature.com/articles/s41377-020-00355-y

2. https://www.nature.com/articles/lsa201499

3. https://www.nature.com/collections/hgeiicgfaj

4. https://www.nature.com/articles/s41377-019-0205-3

5. https://www.nature.com/articles/s41377-019-0209-z

《Light》記者介紹

郭宸孜，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（長(zhǎng)春光機(jī)所）員工，任長(zhǎng)春光機(jī)所 Light學(xué)術(shù)出版中心副總編、卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊《eLight》編輯部主任、卓越計(jì)劃領(lǐng)軍期刊《 Light: Science & Applications》（《Light》）責(zé)任編輯。曾獲第三屆全國(guó)科技期刊青年編輯大賽一等獎(jiǎng)、中國(guó)科協(xié)優(yōu)秀科技論文處理編輯表彰、中科院科技出版先進(jìn)個(gè)人獎(jiǎng)、長(zhǎng)春光機(jī)所先進(jìn)個(gè)人、中科院長(zhǎng)春分院“青年先鋒”等重要獎(jiǎng)項(xiàng)，主持了卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊、中國(guó)科技期刊編輯學(xué)會(huì)基金課題、吉林省科協(xié)科普項(xiàng)目多個(gè)國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目，作為共作者出版譯著《光學(xué)與光子學(xué)：美國(guó)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)》（科學(xué)出版社），在 Nano Today, Nanomaterials, Science China Materials, Applied Optics,Applied Sciences, Nanotechnology, Japan Science and Technology Agency（日本科技振興機(jī)構(gòu)），編輯學(xué)報(bào)等發(fā)表文章 18 篇。曾代表《Light》出席聯(lián)合國(guó)國(guó)際光日籌備委員會(huì)，在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議作邀請(qǐng)報(bào)告 20 余次。

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