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新加坡国立大学仇成伟教授:意念控制信息传递

2023-05-01,阅读:1398

一直以来,“意念控制信息传递”都是科幻电影里令人心驰神往的神秘力量,也是我们人类对科技发展的终极梦想,2022年6月11日,eLight期刊同时发表了两篇脑电波超材料的研究工作,在世界范围内首次提出了用意念控制超表面的全新理念,这一重大科研突破登上了微博热搜榜,阅读量超过千万,相关视频播放量高达60万次,引起了广大观众的强烈兴趣与讨论,真正使“意念控制”的梦想照进了现实。

我们有幸邀请到两篇文章的共同通讯作者、eLight期刊的共主编-新加坡国立大学仇成伟教授接受采访,仇成伟教授向我们深刻解读了他的研究工作,并分享了在期刊发展、人才培养等方面的独到见解。


仇成伟 教授

仇成伟教授是新加坡国立大学院长讲席教授,Optica(原OSA)、SPIE和美国电磁学会会士。其于2003年获得中国科学技术大学工学学士学位,2007年获得新加坡国立大学博士学位。此后在麻省理工学院物理系做博士后研究。2009年12月加入新加坡国立大学任助理教授,2017年1月晋升为副教授。2018年1月被提升为院长讲席教授。曾先后荣获2005年高级电磁学 SUMMA研究生奖学金、2006年IEEE AP-S研究生奖、2008年URSI青年科学家奖、2011年新加坡国立大学青年研究员奖、2012年麻省理工学院TR35@新加坡奖、2013年新加坡国家科学院青年科学家奖、2013年新加坡国立大学青年研究奖、2018年SPIE新锐研究员奖、2018年新加坡国立大学青年工程研究奖、2021年新加坡国立大学工程研究员奖、2021年新加坡物理研究所颁发的世界科学奖章、2022年中国科技期刊卓越行动计划优秀主编奖、2022年全球华人物理和天文学会亚洲成就奖(Robert T. Poe Prize),他的工作被评选为2020年国际十大物理学突破之一、2021年国际光学重大突破之一。作为海外合作方,其研究工作曾4次入选中国光学十大进展。仇成伟教授的研究以多维度融合的结构表面和结构光操控而闻名。他在Nature、Science、Light:Science & Applications(简称Light)、eLight等顶级期刊发表了460多篇经同行评议的期刊论文,并于2019-2022连续4年被 Web of Science 评为高被引研究人员。目前,仇成伟教授担任eLight共主编,还曾担任Laser and Photonics Review、Advanced Optical Materials、ACS Photonics、PhotoniX、Photonics Research等多个期刊的编委和顾问。

原文信息:Sun, T. Light People:Professor Cheng-Wei Qiu. Light Sci Appl 12, 91(2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01138-x

Q:您能简要介绍一下登上微博热搜榜的“意念控制超表面”这项工作(参考文献1,2)的主要研究思路吗?这一重大进展将会给我们的现实生活带来怎样的积极影响?

A:我们开展意念控制超表面的初衷是想开辟一条前所未有的途径。通常来说,主动控制超表面的主流方法是电控制、光控制、机械控制等。而我们想实现一个最具挑战的方案:能不能用脑电波控制超表面?这是我们最初的想法,经过近7年的努力,我们利用P300的脑电波信号使其得以实现。P300的脑电波信号针对不同的刺激会有不同的响应,那么,人的肉眼所捕捉到的环境变化、刺激变化就会响应在脑电波上,我们就可以用脑电波去控制超表面每一个像素的输出电压,整个过程完全是由人控制的无线方案。这项进展有一些很有意义的应用,例如:对于一些残障人士,他们在行动不便的时候,可以通过控制自己的脑部想法去控制一些简单的辅助医疗仪器。特别是对于终端医疗或精准医疗,人们可以通过自己的思维或是想法把信息传递出去。意念控制超表面在微波领域是特别有价值的,因为微波可以远距离传播,全程不需要任何的布线连接,也非常整洁。我们在这方面的工作还在继续深入,譬如结合眼球移动去控制无人机进行定向信息通道的建立,其可行性已经通过了实验验证。这个方案可以通过眼睛控制机械,机械又可以看到人眼视线之外的其他场景,从而实现超远程的控制。所以,意念控制超表面不仅在创意上有很大的先进性,而且在通讯、远程客户服务、医疗护理、以及将来的个性化精准医疗等实际应用方面都具有重要价值。

Q:圆偏振光作为偏振光的一种,在成像、量子光学以及药物分析等领域都有着非常广泛的应用。目前,对圆偏振光的探测存在哪些困难?您的研究团队从几何排布与对称性的角度提出了一种新的光电探测器件设计方案(参考文献3),并在Nature Photonics上发表,这项工作取得了哪些重要突破?将来我们如何实现同时对偏振、波长及角动量等多维信息的片上集成化探测?您对这个方向的前景有什么看法?

A:通常,无论是线偏振还是圆偏振,传统的探测方法都需要一个很大的区域来放置波片和探测器等,在干涉后才能获得偏振信息,这导致整个系统体积非常大,相对于很多场景需求来说不够小型化,而且不便于携带。以往的研究并没有关注几何效应在探测器上的应用,我们提出通过光电探测器的几何排布实现片上集成的高灵敏度线偏振探测器和圆偏振探测器。这项工作的主要突破在于:我们把一个原本需要放在光学平台上的米级体系微缩到一个只有毫米甚至几百微米的体系中。另外,我们不是通过光测量光,而是将光转换成电,从电的读取上获得光的偏振信息,这种片上光电器件打破了传统偏振探测系统在体积、集成度和便携性方面的限制,并且可以在室温下进行红外探测,而很多商用红外光电探测器却只能依赖于冷却装置。我们从几何排布与对称性的角度考量,建立了一个类似于乐高的“游乐场”,以实现多种功能的排布,也就是说,可以在同一个区域中放置不同的设计,来探测线偏振与圆偏振,甚至包括光谱。目前,我们也在尝试通过几何排布来设计轨道角动量的探测。

我认为通过光电探测器的几何排布实现多维探测是一条很有前景的路径,主要分为两个层面,首先是多维度的探测,我们可以通过时间或空间的功能区块化,来分别实现各自的探测功能或探测指标。另一层面是复用,复用的实现包括两种可能性:第一种是恰好找到一种非常独特的几何分布,它对于各种不同的偏振态或轨道角动量的响应区别足够大,那么,就可以读取和分辨相关信息。第二种是通过机器学习,在进行高维度的光电探测时,收集的信号只有电信号,从电信号中抽出入射光携带的各个特征信息就需要建立足够大的库,通过机器学习或深度学习是可以实现的,这也是一个非常有潜力的方案。

Q:您的研究团队在微纳光学与手性光学的交叉研究领域取得了重大进展,首次实现并观测到具有极致内禀手性的连续域束缚态(BIC),并以“Observation of intrinsic chiral bound states in the continuum”为题发表在Nature期刊上(参考文献4)。这项研究工作的创新之处是什么?有哪些潜在的应用价值?

A:手性是一个历久弥新的研究领域。手性BIC因其与单手性圆偏振光(CPL)完全解耦而与另一手性CPL强烈作用,表现为统一圆二色谱(CD)和高品质因子(Q),被誉为手性领域的“圣杯”。最近许多工作都声称已经成功实现了手性BIC,简单搜索一下就会弹出一长串这样的文章,其中也包括一些顶级出版物,但事实是这些工作都没有真正接近顶峰。以往的大多数尝试都采用了斜入射与结构各向异性等外部途径,以实现较强的手性性能。一些理论工作声称已经直接实现了本征手性BIC(参考文献5,6,7),但这些方案诉诸于复杂的3D几何形状,这对于光学频率来说太具挑战性了。这就是为什么真正的本征手性BIC迄今还只能在理论上实现。

我们的工作实现了从理论架构到实验验证的范式转变。通过引入倾斜扰动同时打破超表面面内和面外的对称性,第一次实现了真正的本征手性BIC。我们利用自制的倾斜蚀刻纳米技术在超表面中引入微小倾斜扰动,从而取得了在可见光下实现本征手性BIC的重大突破,同时获得了高达0.93的圆二色谱和高达2663的品质因子。并且排除了结构各向异性的可能影响,将其限制在正常入射范围内。为了进一步证明所生成的手性BIC的本征手性,我们进行了基于倾斜微扰超表面样品的手性激发实验。染料分子被旋涂在倾斜微扰的超表面上,由400 nm连续激光器泵浦。实验表明:染料分子的发射光谱与手性BIC的共振波长相匹配,并且测量的光致发光光谱具有高达0.9的圆二色谱。由于手性BIC的高品质因子与固有手性,我们观察到,右手圆偏振光谱的发射峰非常尖锐,而左手圆偏振光谱没有发射峰。根据手性激发结果,真正的本征手性BIC与非本征手性BIC有本质区别。

这是第一次在可见光下获得具有极高品质因子的本征手性BIC,与那些外在主张或理论建议是截然不同的。我们采用了独特的技术与模型,并通过对称性扰动解决了所有问题。我们的理念和方法可以扩展到红外甚至更长的波长,在手性光源与探测、手性传感、量子光学、不对称光催化等方面具有非常广阔的应用前景。

图1:仇成伟教授获得2018年Light优秀审稿人奖

Q:光量子作为信息载体以独特的优势在诸多领域发展迅速,小型化、集成化是光量子技术走向实用化的必经之路。目前,构建可片上集成的纠缠量子光源面临哪些问题?您的最新研究工作提出了一种超薄非线性量子光源(参考文献8),实现这项研究成果的关键之处是什么?

A:构建片上集成的纠缠量子光源是一个面向国家重大需求的科研项目,目前面临的最大挑战是效率与体积的平衡,它们往往是互斥的关系,很难同时兼顾。要实现集成化就需要将光源做薄,但做薄光源会导致效率变差。我们首次用厚度只有46 nm 的NbOCl₂材料实现了自发参数下转换(SPDC)的量子光源。这项工作的关键之处在于这种范德华材料的层间电子是弱耦合的,特别有趣的是,从单层的角度来讲,这种材料的二阶非线性χ(2)基本逼近过渡金属硫化物的单层,但是,当叠加到两层、三层、四层、无论几层时,它的χ(2)都一直保持,也就是说,它的厚度可以作为一个增强非线性光与物质相互作用的工具。与常用的铌酸锂或者其他类似于铌酸锂的BBO晶体相比,用NbOCl₂材料做非线性量子光源的好处在于它融合了过渡金属硫化物和铌酸锂非线性晶体的优势,它的χ(2)对标于过渡金属硫化物单层,并且高于铌酸锂,同时,又不需要做到铌酸锂那么厚,这是非常巧妙的。这种材料本身就具有这种功能,是大自然给我们的礼物。我们就可以通过搭建一个相对的薄层,维持很高的χ(2),实现超薄的非线性量子光源,这对于未来的超薄、轻负载纠缠量子光源是非常重要的。我们也在做一些引入极化纠缠的后续工作。由于NbOCl₂是一种比较特殊的材料,那么除此之外,用其他材料能不能做?答案是肯定的。我们也可以通过其他材料来构建一种结构,使其同样实现较高的χ(2),以此来做超薄量子光源。无论在量子通讯还是量子光学领域,光源都是根基。我们在现阶段提供了这样一种概念验证方案,并做了一些扩展性讨论,希望可以成为整个量子光学领域未来几年的研究支撑。

Q:极化激元不仅是当今凝聚态物理、光物理、材料科学等多学科交叉的前沿领域,同时也是我国的传统优势研究方向之一。您提出并实验证明了传统的双折射晶体中存在“幽灵”双曲极化激元电磁波(参考文献9,10),打破了对极化激元模式分类的固有认识,您能介绍一下这种“幽灵”极化激元的特性吗?关于这项工作的后续研究,有哪些技术难题有待解决?

A:极化激元是光与物质强耦合作用产生的准粒子,它既有光的特性,又有物质的特性,这是一个非常有趣的领域,也是中国的传统优势研究方向之一。与等离激元相比,声子极化激元的损耗较低且存在双曲色散,可以在芯片上以几乎无衍射的方式传播更远的距离。我们基于双层MoO₃的研究工作把转角电学推到了转角光学,并被评选为2020年度国际十大物理学突破之一。

我们首次将moiré物理学和转角电子学的概念应用于光子学和极化电子学领域,为极端光子色散工程和二维材料上极化激元的鲁棒控制开辟了一条独特的道路。我们将之前发现的MoO₃双曲特性与拓扑光子概念相结合,通过将两个MoO₃薄层相互靠近配对,并使其中一层相对于另一层旋转,就会出现极不寻常的现象。我们展示了由拓扑不变量控制的具有鲁棒色散特性的极化激元,该拓扑不变量由互反空间中隔离层色散带相交处的反交叉点数量表示。当这个整数从2变为4时,必然发生拓扑跃迁,产生平坦带,这让人联想到扭曲石墨烯双层中的魔角平坦费米表面。这些拓扑跃迁发生在魔角处,打乱了固有的鲁棒性,并由MoO₃隔离层双曲带的张角决定。所有这些现象都归根于moiré物理学到光子学领域的延伸。我们的工作介绍了这一发现的理论基础,并基于近场纳米成像、高度可调谐拓扑极化激元、分辨率低于λ0/40的亚衍射低损耗场管化、以及声子极化激元的拓扑跃迁魔角进行了实验观察。我们相信,这些发现在转角电子学、谷电子学、纳米成像、能量转移和量子纳米光学方面具有非常重要的价值。

当这项工作完成后,我们意识到还有很大的提升空间,MoO₃的损耗还是相对较高。不仅仅是我们的工作,还有很多其他非常优秀的工作,也都被局限在2-3微米的传播距离。那么,有没有办法突破这个限制?既实现几乎无衍射传播,同时又打破现有的传播距离记录。后来,我们发现了“幽灵”双曲极化激元,它是一种传播波和倏逝波的混合体系。一个非常偶然的机会,我们发现了方解石在红外波段有双曲型色散。我们利用这种材料本身的性质抛光一个表面,使其与光轴形成特定的夹角。从某种意义来讲,也是在几何上形成了一个自由度。我们第一次关注了材料界面与光轴之间的这种自由度,用方解石体系实现了“幽灵”双曲极化激元,它可以几乎无衍射地在片上传播近20微米,突破了之前MoO₃体系所不能达到的传播距离。方解石也是一种历史悠久的晶体,在很久以前,据说维京人在航海时就用方解石来导航。然而,从来没有人关注方解石在红外波段的声子效应,我们是第一次利用它的双曲色散特性,在一个非常传统甚至是古老的材料体系中建构了一个角度的自由度,然后通过它的声子模式贡献,偶然地突破了当下的瓶颈。但如何自由构建极化激元并控制其传播路径,这仍是一个非常具有挑战性的问题。

Q:2021年,您在国际顶尖期刊Nature上发表了“Interface nano-optics with van der Waals polaritons”的文章(参考文献11),首次提出了“界面极化激元光学”概念,并全面讲述了利用界面光学控制范德华极化激元的最新进展。您能谈一下范德华极化激元控制的研究现状与未来发展趋势吗?

A:2021年,我们受Nature期刊的邀请,撰写了一篇综述。首次提出了一些概念或者猜想,例如如何控制与操纵范德华极化激元?并提出了界面纳米光学、超光学与范德华材料融合的新方向。我们最终想实现的是借用一些超材料或超表面与范德华材料相结合,从而构建一些表面结构,使它可以操控极化激元的传播。这样,我们就可以让极化激元绕弯,在传播的过程中绕开一些特定的区域。我们发现,已经有很多文章逐渐实现了这些方案。

图2:仇成伟教授在长春光机所作学术报告

Q:近年来,涡旋光作为一种具有螺旋形相位波前与中心相位奇点的特殊光束在量子光通信、超分辨成像、微纳颗粒的操控、以及多通道信息存储等先进应用领域都发挥着重要的作用。目前,漩涡光束的产生有哪些常用方法?您的研究工作(参考文献12)实现了自由空间与近场环境下的多通道轨道角动量的操控,您能谈一下这种方法的主要优势吗?

A:轨道角动量其实是一个非常好的信道复用物理维度,由于它的每一个拓扑荷数都是正交的,因此,复用在原则上是没有限制的。至少在纳米光学尺度上,它非常适合作为多通道或者高通量的光通讯手段。产生涡旋光束的传统方法通常是利用空间光调制器、螺旋相位板或超表面。然而,空间光调制器的问题在于它非常受限于像素尺寸。螺旋相位板的问题在于它很厚,而且通常只能产生一个阶数。而超表面产生涡旋光束可以通过排布微纳结构使其形成2π或4π的相位变化。但如何同时产生多通道的轨道角动量呢?之前有研究者通过穿插的方式得以实现,也就是说,他们用一个阵列形成一个特定的阶数,然后通过空隙插入另外一个阵列,所以这其实是一个组装的过程。当然,这种组装必然会导致效率的降低,同时,也不可能组装太多,否则会毁坏原来的单一结构要求。我们在eLight这篇文章中实现了自由空间下的多轨道同时产生角动量,打破了传统的方法。这项工作的最初想法来源于童年时阅读科学杂志的经历,在一幅图中最多可以找出多少个图案?就像我们盯着向日葵花盘,有时候会观察到不同的图案。我们大胆猜想了一下,如果光有类似于人的视觉,它是不是也有视觉上多个图像重叠的感观?因此,我们通过排列纳米孔并利用两个螺旋轨道上相邻纳米孔之间的邻近效应,实现了自由空间下产生多通道的轨道角动量。实验表明,这种方案确实适用于光学中涡旋光束的产生,这对于如何在有限区域里产生多通道的轨道角动量是一种非常新奇的方式。

Q:作为光学新兴交叉领域的明星科学家,您能简要介绍一下目前的研究工作重点吗?未来有怎样的发展规划?

A:我目前的研究工作重点是结构化一些范德华层状材料和新型二维材料,将光子晶体的对称性破缺、不连续折叠、以及连续域束缚态等概念融合到二维材料的体系中。一种是直接将光子晶体结构与二维材料结合,另外一种是在二维材料或层状材料中直接构建一些特殊的类光子晶体结构,从而兼顾二维材料或层状材料在非线性与光子激发方面的优势,同时又可以实现一体化。我未来的规划是希望使这种范德华层状光子晶体概念在基础的光电探测与微型化的光源设计方面实现很好的转化。

Q:您不仅是一位杰出的科研工作者,还培养了大量的优秀学生,能与我们分享一下您在人才培养方面的心得体会与宝贵经验吗?

A:我觉得很难归纳总结这方面的经验。因为每一个学生或者年轻的博士后都是独一无二的,没有统一的方法可以适用。我需要去了解他们的个人行事风格以及优缺点,以便给他们一些相应的激励或指导。比如,我组里的一些学生有很多天马行空的想法,那我可能会稍微加以控制,以免他们把太多精力放在一些比较遥远的想法上,太远的想法可能会导致眼高手低,最终也实现不了。对于一些相对内向的学生,我可能会多关注一点,然后逐渐推进他们的科研进度。我觉得有一条是可以分享的:就是我一般不会提出定量化的要求。我想形成一个既有一些“内卷”又互相促进的团体,让他们在彼此学习之间形成内部的驱动力。当他们看到优秀的同学怎么做的时候,其实不用我讲,他们内部就会有压力和动力。我需要做的就是适当的疏导,避免让压力导致一些不好的结果。如果他们的动力足够,我会引导他们探索一些我认为较好的方向。当他们动力不足的时候,我会给他们加一些价值点,让他们更有动力去做一些事情,这是一个非常个性化的处理方案。幸运的是,我组里的大部分学生或年轻科研人员都很优秀,基本上,我并不需要太操心这些事情。

图3:仇成伟教授团队庆祝新年

Q:您曾经幽默地称自己为“a light rider across disciplines”,这与eLight的发展定位高度契合,作为这本卓越行动计划高起点新刊的共主编,您觉得eLight与同行期刊相比有什么不同?对eLight的未来发展有什么建议?

A:从筹创eLight开始,我们一直在问自己一个问题:为什么要有eLight? 经过很长时间的思考与磨合,我们觉得现有的期刊可能主要是按方向来划分的。但光学现在已经延展到了各个领域当中,如何能让光学在不同领域中的作用体现出来,然后去带动一些新方向?比如超材料,已经从最初的光学领域发展到了机械、电子、声波等领域。又比如二维材料,本来是材料方面的创新,但现在,在光学领域也是大有可为。所以eLight的定位就是发掘那些新兴交叉前沿的方向,希望能给光学、以及光学与其他学科的交叉领域带来变革性的影响。或者说,希望eLight把光照进到不同的领域里。现在的新兴科学很大程度上都是在不同学科的融合交叉过程中产生的,那么,就需要有对应的一些期刊来面向或者服务这样的受众,并走在现有的交叉学科前沿。与此同时,如何保证期刊、作者、读者、审稿人之间形成一个正向健康的共同体?这需要"同心若金,攻错若石"。


图4:仇成伟教授在英国牛津大学宣传eLight期刊

Q:您曾在国际顶尖期刊Nature、Science正刊及其子刊上发表多篇优秀文章,且连续4年被Web of Science评选为高被引学者,您如何看待科研工作与发表论文之间的关系?

A:我觉得科研工作和发表论文之间并不是一个强耦合关联,它取决于你的科研工作性质,取决于你做的是偏向基础、理论型的研究,还是偏向工程应用、产业化的研究,这与论文之间的关联就会有强弱的差别。以我自己为例,如果我做一些比较偏基础性、前沿性的工作,我希望通过发表论文分享或报道我的发现,这是一个非常必要的过程。但至于论文发表在什么期刊上,我觉得应该做出比较理性的判断。首先,你要对自己的工作有足够中立的认识,如果这项工作确实比较前沿,你当然希望有更大的受众群体去关注与跟进你的研究。从最基本的逻辑来讲,论文发表在哪里取决于你的受众群体以及相关领域,并且还要关注期刊平台能否跟你的工作属性有讨论促进的匹配条件。当然,有时候也要基于个人以及团队的考量。不过我始终认为,如果你足够努力,长时间保持一定高质量的输出,你的工作有足够的创新度和质量保证,那么,无论你的论文发表在哪里,都会被人看到,不用太担心这个过程。

图5:仇成伟教授连续四年获得高被引学者

Q:我们都知道,科研人员的工作十分繁忙,您平时是如何平衡好工作与生活的?

A:现在的科研人员确实工作繁忙,同时还要兼顾家庭。尤其在某些竞争激烈的科研方向,压力很大,因为可能转瞬之间,别人就已经把你想做的事情给完成了。在此情形下,如何平衡好工作和生活非常重要,我觉得核心的原则是:你必须让自己快乐。首先要积极解决生活中的困顿和积郁,只有家里和生活的事情安排妥当,你才能全身心地投入工作。当因为家里或个人的生活问题导致了不良情绪,我觉得你不太可能毫无牵挂地投身到科研工作中,这些情绪一定会影响你的心态或步调。平时,可以进行一些娱乐活动,包括综艺、电影、运动或者一些社交活动等,让自己的头脑暂时放松下来。当然,这种平衡也是见仁见智的,每个人有自己的方法。对我而言,方法并不是单一的,我有时候会看一些综艺节目和电视剧,包括最近爆火的电视剧《狂飙》,之前的脱口秀大会,还有一些国外的采访节目等。看完之后,我会处于一种更舒服的状态,变得精力充沛,然后就可以处理一些比较棘手的问题。并不是工作时间越长越好,效率高才能突破阈值。我希望每个人都能找到适合自己的方式来实现工作与生活的平衡。

参考资料

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2. Zhu, R., Wang, J., Qiu, T. et al. Remotely mind-controlled metasurface via brainwaves. eLight 2, 10(2022). https://doi.org/10.1186/s43593-022-00016-0

3. Wei, J., Chen, Y., Li, Y. et al. Geometric filterless photodetectors for mid-infrared spin light. Nat. Photon.(2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01115-7



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