【中国光学】《Light》人物首期:深度专访崔铁军院士

发布者:孙威发布时间:2020-08-13浏览次数:112

原创 长光所Light中心 中国光学

记者 | 郭宸孜

编者按


近期,中国计算电磁学和电磁超材料专家、中国科学院院士崔铁军接受了《Light》编辑郭宸孜的专访,就编码和智能电磁超材料中的关键问题,做出了讨论和回答;并分享了对于光学和电磁超材料发展的看法;同时,崔铁军院士分享了自身在研究领域发展和转换过程中的重要经验,以及对年轻学者的指导建议。


《Light》人物是《Light : Science & Applications》发起的系列高端人物访谈。首期,我们很荣幸能邀请到传说中还在自己写论文和做实验的儒雅教授——新科院士崔铁军。崔铁军院士是《Light》从追踪热点到引领科学发展过程的重要支持者。本期采访试图还原一个高屋建瓴的大视野科学家,以及他那些温文尔雅,有血有肉的二三趣事。


崔铁军 院士


崔铁军,中国科学院院士,东南大学信息科学与工程学院教授、博导,作为第一完成人获2014 年国家自然科学二等奖、2018年国家自然科学二等奖、2016年军队科学技术进步一等奖及2011年教育部自然科学一等奖,获国家杰出青年科学基金资助。他在《Science》、《Nature》 子刊、《PNAS》和《PRL》等发表论文400余篇,出版专著3 部,论文被引用3万余次(H因子86,谷歌学术),授权国家发明专利80余项。崔铁军院士对超材料进行了系统性研究,创造性地提出用数字编码表征超材料的新思想及控制电磁波的新方法,实现了数字编码和可编程超材料,能实时操控电磁波和编码信息,开创了信息超材料新方向。首次从微波传输线的角度研究表面等离激元(SPP)超材料,发明了一种超薄、柔性、条带式SPP传输线。与传统微带线相比,其传输特性可定制,并可显著降低传输线间的互耦和干扰。研制出一系列SPP无源器件和有源器件,开辟了基于SPP传输线的微波技术新方向。在传统超材料领域,实现了宽带、低损耗超材料的快速准确设计,在国际上率先实验验证了“电磁黑洞”和三维宽带“隐身斗篷”等物理现象,解决了超材料在某些国防应用中的瓶颈问题,并应用于中国航天、航空、船舶等部门武器装备的研制。


深度专访

《Light》记者:我们知道,您之前在UIUC是师从周永祖教授进行大尺寸目标电磁散射特性的精确快速算法研究。您回国后,在计算电磁学、目标雷达散射特性等领域继续研究,产出了很多重要工作,包括精确电磁仿真软件和我国首个高频电磁散射国家代码软件的开发,可应用于大型目标(如飞机、军舰)及复杂环境等,打破了美国在这一领域的垄断和禁运,可以说在研究和工程领域取得了很大成就。之后您又开展了电磁超材料的研究,挖掘和验证了很多新的物理现象,包括“电磁黑洞”、“三维宽带地面隐身衣”等,同时又在微波超材料领域做了很多超材料天线、超材料隐身表面、超材料天线罩、超材料透镜等实用性工作。是什么契机让您回国后有了往电磁超材料方向发展的想法,因为对于很多年轻的科研人员而言,如何在研究基础上开拓新方向,如何从工程向基础延伸或是基础向工程延伸,是一个重要的难题。

崔铁军:谢谢你提出这个很“大”的问题。在一个方向上钻研一辈子、拓展新方向、基础和工程的相互转换,是不同的研究范式,每个研究人员应该根据自身的特点和外界环境选择适应自己的研究范式。就我而言,我的本硕博就读于西安电子科技大学,留校任教两年后去德国卡尔斯鲁厄大学做洪堡学者,1997年又赴美在UIUC做博士后和研究科学家,期间一直从事计算电磁学算法研究。加入东南大学后,开始用这些算法解决目标与环境的雷达散射特性建模问题,开发了精确电磁仿真软件和高频电磁散射国家代码软件,在科研院所和型号项目上获得广泛应用。与超材料的“偶遇”发生在2004年1月,在新加坡参加PIERS会议时遇到MIT孔金鸥教授,向我介绍了左手材料这一新领域,我立即被其奇特的物理景象所吸引,从新加坡回来后即开展一些有意思的理论工作,即探究左手材料的时间因果性问题,并证明了其电磁能量永远为正,分别发表在2004年8月和9月的Physical Review B上,正式开启了电磁超材料这一研究方向。因此,我认为“抓住机遇”和“强烈兴趣”是开展新方向必不可少的条件。但是,开展新方向和“追热点”有明显不同,后者追求短平快,而前者是一个长期的发展方向。为了避免使“新方向”变为“追热点”,需要有一个长远规划,考虑如何发挥自己的优势,扬长避短,体现出自己在这个方向上的独特性。以我自己为例,早期研究以跟踪国际前沿为主(我们进入超材料方向比国际同行晚8年左右),“电磁黑洞”、“三维宽带地面隐身衣”等都是在前人工作基础上的提高。有了一定基础后,就开始想如何体现我们的独特性。第一次转型是从“追求奇特物理现象”向工程应用转换,因此研制出一系列高性能超材料透镜、隐身表面、天线罩等,并获得重要应用;第二次转型是探究表面等离激元(SPP)超材料在微波技术中的独特优势,首次从微波传输线的角度研究SPP超材料,提出一种传输特性、色散特性、场分布可定制的SPP传输线,并基于此研制了一系列微波SPP无源器件、有源器件和天线,开发了全SPP的无线通信射频收发系统,实现了亚波长间距双通道非视距无线通信(传统技术无法实现),发表在最新一期的《Light》【1】上。因此,这一系列工作建立了基于SPP传输线的微波技术新方向,目前国内外大量微波学者和工程师都在开展相关研究。因此,我个人认为,如果做到“抓住机遇”、“强烈兴趣”、“坚持不懈”和“开拓提高”,就能形成一个新的方向;如果这个方向和能和国家重大需求相结合,就能做得长久。


崔铁军院士工作照

《Light》记者:您2014年在《Light》上发表的数字编码超材料成果【2】,开拓了一个全新的领域,为编码超材料提供了全新的思路,此后您也是进一步拓宽了数字编码的可能性和维度,将可编程性、深度学习、智能编码等都引进到了数字编码超材料中,构建了信息超材料系统的体系【3】,最近您又实现了光驱动的数字编码超材料,国内外也有很多人跟踪跟进您的工作。您当时如何引入这一新领域的?和传统超材料有何区别?您觉得未来数字编码超材料的发展方向在哪里?如果数字编码微波超材料能够成功过渡至光学波段,您认为主要的机遇和挑战在于何处,有什么优势?

崔铁军:是的,2014年在《Light》上发表的数字编码和现场可编程超材料应该是我们在超材料研究上的一次突破,也是我们长期积累、长时间思考后取得的成果。传统超材料主要以等效媒质参数和其它物理参数为基础,研究对电磁波的操控、新物理现象、及其可能的工程应用,但存在一些限制。对无源超材料,一旦制备其功能固定,不能实时操控电磁波。对有源超材料,分为可调超材料和可重构超材料,但它们均调控单元结构本身,因此可调超材料能实现单一功能的动态调控,而可重构超材料能实现很少几个不同功能的动态调控。这两种超材料均不能实现对很多种完全不同功能实时调控。为此,我们2014年提出了数字编码超材料的概念,用物理的数字态表征超材料,用数字编码序列来调控电磁波。换句话说,应用有源器件(例如开关二极管)和现场可编程门阵列(FPGA),其单元结构(数字态)和超材料序构(数字编码序列)均可实时地现场可编程调控,使单一超材料能实现很多完全不同的功能。数字编码和FPGA的引入,直接产生了现场可编程超材料,将算法和软件注入FPGA可产生软件化超材料,将机器学习和智能算法注入FPGA可产生智能化超材料,等等,极大地丰富了超材料的内涵并扩展了其外延,因此我们统称为信息超材料。信息超材料开创了超材料新方向,其最大特征是在超材料物理空间上构建了数字空间,将物理特征调控和信息调控统一起来,已经在新架构无线通信和微波成像获得应用。将来在新一代电子信息系统可望发挥重要作用。目前,我们团队及合作者的信息超材料已经从C波段覆盖到W波段。一些团队已经在太赫兹频段(例如南京大学金飚兵教授、电子科技大学张雅鑫教授等)和光波段(例如哈工大深圳的肖淑敏教授等)的数字编码和可编程超材料取得突破,将对光电深度融合、光物理与数字信息一体化、大容量信息传输等带来机遇。但是,在太赫兹和光波段信息超材料面临的挑战是数字编码调控速度较慢,如何达到十几纳秒级调控是一个具有挑战性课题。


数字编码超材料

《Light》记者:您2019年在Light发表的Smart Metasurface【4】和Intelligent metasurface imager and recognizer【5】,为大家构建了一个很美好的未来,您认为今后这类imager缩小尺寸的可能突破方向在何处?

崔铁军:开关二极管的引入,使超材料单元实现了数字化;FPGA的引入使数字编码序列实时可调,实现了现场可编程超材料,但不同的功能序列需要人工写入FPGA。为了使超材料能感知周围环境,根据环境参数自适应地实现不同功能,需要在超材料上嵌入一个感知器件(例如陀螺仪)和自主决策算法,构建智能自适应超材料,这就是我们2019年在Light发表的Smart Metasurface工作。更进一步,我们将三个人工智能算法与信息超材料相结合,在室内Wi-Fi环境下不需要激励源即可完成对室内全景成像、将波束聚焦到感兴趣的小区域(例如室内人的手部、胸部等)上、以及对感兴趣的动作和生命体征(例如手势、呼吸)等自动识别等一连串功能,这是我们2019年在Light发表的Intelligent metasurface imager and recognizer工作。这两个工作均和北京大学李廉林教授团队合作完成。这两个工作对超材料在未来智慧家庭、智慧小区、智慧城市的应用构建了美好前景,目前为了和Wi-Fi信号相结合,其频率设计在2.4GHz左右。但我们很容易推广到其他微波频段和毫米波频段。与5G技术相结合,将带来更大的应用空间。



崔铁军院士获得《Light》杰出论文奖


《Light》记者:从更广阔的角度来看,因为超材料近年的研究主要集中在两个方向:一是物理领域上新的现象和概念的突破;二是工程领域上加工和技术的突破。您对这两个方向的愿景和期待是什么,您能否为大家预测一下未来几年来超材料相关的基础领域能否有重要的突破?此外,能否请您对超材料的未来进行下展望,因为您也有很多等离子体超材料的工作发表,您如何看待将来传统的超材料、等离子体超材料的研究会如何发展,以及编码超材料如何发展,除了数字编码超材料以外,其他的编码超材料的发展前景如何?

崔铁军:是的,近年来超材料在物理领域上新的现象和概念、在工程领域上加工和技术均取得很多突破,另外还有基于超材料平台的领域融合突破,例如物理域和数字域的融合统一。在基础领域方面,近年来拓扑绝缘体超材料、量子超材料取得可喜进展,在原子层级上超材料研究与物理和化学的结合将更加紧密,期待着更多的新机理和新发现。在工程和技术层面,现代超材料从1996年Pendry爵士构建负介电常数的线结构算起已经活跃了24年,但其工程应用还不尽人意,也应该是我国超材料科研人员要承担的历史职责。由于我自己的知识面有限,只能对熟悉的几个方向进行展望。关于微波超材料,除了继续挖掘新物理之外,应该更多关注工程应用。雷达隐身、特殊天线和天线罩已经迈出可喜一步,有特色的微波透镜和射频器件也有重大需求。关于光波超材料,因为其基本单元可小至纳米级尺度,蕴含着更多物理发现的契机。近年来,超材料光学透镜、突破衍射极限光刻等取得重大进展,但若获得工程应用,如何提高其性价比是值得研究的课题。关于微波表面等离激元超材料,现在已经基本构建了从SPP传输线、无源器件、有源器件、天线到SPP无线系统的完整框架,但SPP有源器件(各类放大器和混频器)和SPP系统还有大量的工作值得研究,以便更好地服务于5G。关于信息超材料,因为构建了物理空间和数字空间的高速公路,可实现射频和基带一体化,因此有望在新架构电子信息系统中发挥重要作用。目前,信息超材料已经引起国内外通信领域的极大关注,被认为是6G无线通信的技术途径之一,正在制定相应的国际标准。

《Light》记者:有没有哪个想法或是构思,是您做了一段时间之后,发现不可行的或是放弃了的?

崔铁军:有一些。在研究零折射率材料时,我们证明直角坐标系下各向异性零折射率材料可将其内部任何源辐射的电磁波转换为近乎完美的平面波,且平面波波前的面积大于各向异性零折射率材料的几何面积,因此试图证明各向异性零折射率材料的增益能否突破极限。但后来放弃了,因为即使在理想情况下,平面波波前的振幅也做不到均匀分布,因此其增益只能趋近于极限值。

开会中还在工作的萌萌的崔院士


《Light》记者:最后采访一下一些比较私人的话题,在您的人生中,哪一段经历让您印象深刻并且对您的影响最重要?工作之余您有什么兴趣爱好?您认为优秀的学生应该具备哪些素质?您更注重培养学生哪些方面的能力?

崔铁军:对我来说,初中毕业时的抉择(读中专还是高中)对我的影响最重要。工作之余的时间其实并不多,之前打羽毛球,现在多走路。学生的种类很多,其追求目标也不相同,每类学生都有其优秀特质。我认为最重要的素质是具有坚定的、不浮躁的内心。学生能力的培养也要根据其自身特点而量身定制,例如创造性、独立从事研究的能力、解决工程问题的能力等。



崔铁军院士与学生交谈

《Light》记者:对《Light》和您新担任编委的新刊《eLight》的寄语。

崔铁军:希望《Light》和《eLight》成为国内外学者原始创新的发源地、高端研究成果的载体、工程和系统创新的平台。


崔铁军院士参加《Light》香港办公室揭幕仪式


参考文献

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