初探电子系微纳光电子学实验室:光子的世界,精致的诺言

深秋十月的校园已是冷风阵阵,单薄的毛衣早已不能御寒。我哆嗦着走进罗姆楼,心里满是对电子系的期待,却也有几分胆怯——“微纳光电子学实验室”?如何断句?难不成是“微纳光/电子学/实验室”?

诸君莫笑,微纳光电子学是一门研究微纳结构中光子与物质相互作用的交叉学科,研究成果可应用于信息、能源、环境、生物医学等诸多领域,包括我们熟知的量子通信、太阳光伏等。此实验室成立于2004年,至今已走过13个年头,科研方向大致分为:光子/光声晶体、光通信波段的光量子器件、硅基集成器件、表面等离子激元及其应用这四大类。研究团队包括长江学者特聘教授黄翊东、张巍副教授、冯雪副教授、刘仿副教授、崔开宇副教授,以及20余名博士、硕士研究生。

穿戴上洁净服,进入实验室,我立刻被明亮的白色基调和纤发不落的整洁所吸引——450平方米的洁净间被设计为流动的迷宫,各个房间可通可隔,大面积地块上致密地安放着手动光纤耦合台、等离子体增强化学气相沉积器等仪器,转角门廊处则有特殊气体压力瓶、气泵和压缩机等设备——整个空间设计巧妙、精心布局,让人顿觉美好。

环顾四周,皆是线缆密布的操作台和白框黑屏的显示器,一切精致的部件都在安静的实验室内呼吸。当我靠近显微镜时,却没有看到老师们所说的“重要的样品芯片”——冯雪副教授告诉我:“实验室里研究的器件和结构都是很细微的,肉眼自然是看不见的。”诚然,做微纳结构的研究是需要耐心和细心的。一片边长几毫米的芯片的诞生,从模型设计、电子束曝光,到离子刻蚀加工、去胶、磨片,再到测试总共需要至少3周时间。冯雪笑着说:“学生们步入研究生阶段后,首先就要经历‘粉碎阶段’,他们会知道做实验不同于做题……完成一次芯片的制备和测试,既需要对于仪器和设备的熟悉,又需要自身对于大量数据的数理直觉。”

实验室最新科研成果当属“集成无阈值切伦科夫辐射芯片”——如何降低产生切伦科夫辐射的巨大电子能量阈值是几十年来的科学难题。2014年,刘仿副教授研究发现,利用双曲超材料可以实现无阈值的切伦科夫辐射。历经两年多反复地实验锤炼后,刘仿于2017年在《自然·光子》杂志上正式发表了这一研究成果,并颠覆了人们对于传统自由电子光源的认识,使得在芯片上研究飞行电子与微纳结构的相互作用成为可能。

不知不觉中,短暂的两小时很快过去了,实验室里的整洁环境、认真工作的学生和风趣博学的老师们都给我留下了深刻的印象。这里好似一片思维与实践的沃土——师生们在这里模拟、假设、试验,每一步都看似单调枯燥,但却最终孕育了精致的作品,践行着他们对微观光子世界“解密”的诺言。

 

    供稿

    映像设计组

     

    创意

    映像设计组

     

    文字

    杨茂艺

     

    图片

    李娜

     

    摄影

    何名暖

     

    编审

    卢小兵、程曦

    张歌明、张莉

     

    栏目统筹

    程曦

     

    编辑

    程曦