《Light》人物首期：深度专访崔铁军院士
2021-03-30 15:00:00
原标题：《Light》人物首期：深度专访崔铁军院士
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质料专家、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质料中的要害问题，做出了讨论和回答；并分享了对于光学和电磁超质料发展的看法；同时，崔铁军院士分享了自身在研究领域发展和转换历程中的紧张经验，以及对年轻学者的引导发起。
《Light》人物是《Light: Science & Applications》发起的系列高端人物访谈。首期，我们很荣幸能约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》从追踪热门到引领科学发展历程的紧张支持者。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 年国度自然科学二等奖、2018年国度自然科学二等奖、2016年部队科学技能进步一等奖及2011年教诲部自然科学一等奖，获国度良好青年科学基金资助。他在《Science》、《Nature》 子刊、《PNAS》和《PRL》等发表论文400余篇，出书专著3 部，论文被引用3万余次（H因子86，谷歌学术），授权国度发明专利80余项。崔铁军院士对超质料举行了体系性研究，创造性地提出用数字编码表征超质料的新思想及控制电磁波的新要领，实现了数字编码和可编程超质料，能实时操控电磁波和编码信息，开创了信息超质料新偏向。初次从微波传输线的角度研究外貌等离激元（SPP）超质料，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滋扰。研制出一系列SPP无源器件和有源器件，开发了基于SPP传输线的微波技能新偏向。在传统超质料领域，实现了宽带、低损耗超质料的快速准确设计，在国际上率先实验验证了“电磁黑洞”和三维宽带“隐身斗篷”等物理征象，解决了超质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是师从周永祖教授举行大尺寸目标电磁散射特性的准确快速算法研究。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，产出了许多紧张事情，包括准确电磁仿真软件和我国首个高频电磁散射国度代码软件的开发，可应用于大型目标（如飞机、兵舰）及庞大情况等，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绩。之后您又开展了电磁超质料的研究，挖掘和验证了许多新的物理征象，包括“电磁黑洞”、“三维宽带地面隐身衣”等，同时又在微波超质料领域做了许多超质料天线、超质料隐身外貌、超质料天线罩、超质料透镜等实用性事情。是什么契机让您回国后有了往电磁超质料偏向发展的想法，由于对于许多年轻的科研职员而言，如安在研究基础上开拓新偏向，如何从工程向基础延伸或是基础向工程延伸，是一个紧张的难题。
崔铁军：谢谢你提出这个很“大”的问题。在一个偏向上研讨一辈子、拓展新偏向、基础和工程的相互转换，是差别的研究范式，每个研究职员应该根据自身的特点和外界情况选择顺应自己的研究范式。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情况的雷达散射特性建模问题，开发了准确电磁仿真软件和高频电磁散射国度代码软件，在科研院所和型号项目上得到遍及应用。与超质料的“偶遇”产生在2004年1月，在新加坡到场PIERS集会时遇到MIT孔金鸥教授，向我先容了左手质料这一新领域，我立即被其奇特的物理情形所吸引，从新加坡回来后即开展一些有意思的理论事情，即探究左手质料的时间因果性问题，并证实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，正式开启了电磁超质料这一研究偏向。因此，我认为“捉住机遇”和“强烈兴趣”是开展新偏向必不可少的条件。但是，开展新偏向和“追热门”有明显差别，后者寻求短平快，而前者是一个长期的发展偏向。为了制止使“新偏向”变为“追热门”，需要有一个久远规划，思量如何发挥自己的上风，扬长避短，体现出自己在这个偏向上的奇特性。以我自己为例，早期研究以跟踪国际前沿为主（我们进入超质料偏向比国际偕行晚8年左右），“电磁黑洞”、“三维宽带地面隐身衣”等都是在前人事情基础上的提高。有了一定基础后，就开始想如何体现我们的奇特性。第一次转型是从“寻求奇特物理征象”向工程应用转换，因此研制出一系列高性能超质料透镜、隐身外貌、天线罩等，并得到紧张应用；第二次转型是探究外貌等离激元（SPP）超质料在微波技能中的奇特上风，初次从微波传输线的角度研究SPP超质料，提出一种传输特性、色散特性、场漫衍可定制的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的无线通讯射频收发体系，实现了亚波长间距双通道非视距无线通讯（传统技能无法实现），发表在最新一期的《Light》【】上。因此，这一系列事情建立了基于SPP传输线的微波技能新偏向，目前海表里大量微波学者和工程师都在开展相干研究。因此，我小我私人认为，如果做到“捉住机遇”、“强烈兴趣”、“坚韧不拔”和“开拓提高”，就能形成一个新的偏向；如果这个偏向和能和国度重大需求相联合，就能做得恒久。
崔铁军院士事情照
《Light》记者：您2014年在《Light》上发表的数字编码超质料结果【】，开拓了一个全新的领域，为编码超质料提供了全新的思绪，今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质料中，构建了信息超质料体系的体系【】，最近您又实现了光驱动的数字编码超质料，海表里也有许多人跟踪跟进您的事情。您其时如何引入这一新领域的？和传统超质料有何区别？您以为未来数字编码超质料的发展偏向在那里？如果数字编码微波超质料可以或许乐成过渡至光学波段，您认为主要的机遇和挑战在于那边，有什么上风？
崔铁军：是的，2014年在《Light》上发表的数字编码和现场可编程超质料应该是我们在超质料研究上的一次突破，也是我们长期积累、长时间思索后取得的结果。传统超质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、新物理征象、及其可能的工程应用，但存在一些限定。对无源超质料，一旦制备其功效固定，不能实时操控电磁波。对有源超质料，分为可调超质料和可重构超质料，但它们均调控单元结构自己，因此可调超质料能实现单一功效的动态调控，而可重构超质料能实现很少几个差别功效的动态调控。这两种超质料均不能实现对许多种完全差别功效实时调控。为此，我们2014年提出了数字编码超质料的观点，用物理的数字态表征超质料，用数字编码序列来调控电磁波。换句话说，应用有源器件（比方开关二极管）和现场可编程门阵列（FPGA），其单元结构（数字态）和超质料序构（数字编码序列）均可实时地现场可编程调控，使单一超质料能实现许多完全差别的功效。数字编码和FPGA的引入，直接产生了现场可编程超质料，将算法和软件注入FPGA可产生软件化超质料，将呆板学习和智能算法注入FPGA可产生智能化超质料，等等，极大地富厚了超质料的内在并扩展了其外延，因此我们统称为信息超质料。信息超质料开创了超质料新偏向，其最大特性是在超质料物理空间上构建了数字空间，将物理特性调控和信息调控同一起来，已经在新架构无线通讯和微波成像得到应用。未来在新一代电子信息体系可望发挥紧张作用。目前，我们团队及互助者的信息超质料已经从C波段笼罩到W波段。一些团队已经在太赫兹频段（比方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（比方哈工大深圳的肖淑敏教授等）的数字编码和可编程超质料取得突破，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质料面临的挑战是数字编码调控速率较慢，如何到达十几纳秒级调控是一个具有挑战性课题。
数字编码超质料
《Light》记者：您2019年在Light发表的Smart Metasurface【】和Intelligent metasurface imager and recognizer【】，为各人构建了一个很优美的未来，您认为今后这类imager缩小尺寸的可能突破偏向在那边？
崔铁军：开关二极管的引入，使超质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质料，但差别的功效序列需要人工写入FPGA。为了使超质料能感知周围情况，根据情况参数自顺应地实现差别功效，需要在超质料上嵌入一个感知器件（比方陀螺仪）和自主决议算法，构建智能自顺应超质料，这就是我们2019年在Light发表的Smart Metasurface事情。更进一步，我们将三小我私人工智能算法与信息超质料相联合，在室内Wi-Fi情况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（比方室内人的手部、胸部等）上、以及对感兴趣的行动和生命体征（比方手势、呼吸）等自动辨认等一连串功效，这是我们2019年在Light发表的Intelligent metasurface imager and recognizer事情。这两个事情均和北京大学李廉林教授团队互助完成。这两个事情对超质料在未来智慧家庭、智慧小区、智慧都会的应用构建了优美远景，目前为了和Wi-Fi信号相联合，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技能相联合，将带来更大的应用空间。
崔铁军院士得到《Light》良好论文奖
《Light》记者：从更辽阔的角度来看，由于超质料比年的研究主要集中在两个偏向：一是物理领域上新的征象和观点的突破；二是工程领域上加工和技能的突破。您对这两个偏向的愿景和期待是什么，您能否为各人预测一下未来几年来超质料相干的基础领域能否有紧张的突破？别的，能否请您对超质料的未来举行下展望，由于您也有许多等离子体超质料的事情发表，您如何看待未来传统的超质料、等离子体超质料的研究会如何发展，以及编码超质料如何发展，除了数字编码超质料以外，其他的编码超质料的发展远景如何？
崔铁军：是的，比年来超质料在物理领域上新的征象和观点、在工程领域上加工和技能均取得许多突破，另外另有基于超质料平台的领域融合突破，比方物理域和数字域的融合同一。在基础领域方面，比年来拓扑绝缘体超质料、量子超质料取得可喜进展，在原子层级上超质料研究与物理和化学的联合将越发精密，期待着更多的新机理和新发明。在工程和技能层面，现代超质料从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，也应该是我国超质料科研职员要负担的汗青职责。由于我自己的知识面有限，只能对熟悉的几个偏向举行展望。关于微波超质料，除了继续挖掘新物理之外，应该更多存眷工程应用。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。关于光波超质料，由于其基本单元可小至纳米级尺度，蕴含着更多物理发明的契机。比年来，超质料光学透镜、突破衍射极限光刻等取得重大进展，但若得到工程应用，如何提高其性价比是值得研究的课题。关于微波外貌等离激元超质料，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无线体系的完备框架，但SPP有源器件（各种放大器和混频器）和SPP体系另有大量的事情值得研究，以便更好地服务于5G。关于信息超质料，由于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体系中发挥紧张作用。目前，信息超质料已经引起海表里通讯领域的极大存眷，被认为是6G无线通讯的技能途径之一，正在制定相应的国际尺度。
《Light》记者：有没有哪个想法或是构想，是您做了一段时间之后，发明不可行的或是放弃了的？
崔铁军：有一些。在研究零折射率质料时，我们证实直角坐标系下各向异性零折射率质料可将其内部任何源辐射的电磁波转换为近乎完善的平面波，且平面波波前的面积大于各向异性零折射率质料的几何面积，因此试图证实各向异性零折射率质料的增益能否突破极限。但厥后放弃了，由于纵然在理想情况下，平面波波前的振幅也做不到匀称漫衍，因此其增益只能趋近于极限值。
开会中还在事情的萌萌的崔院士
《Light》记者：末了采访一下一些比力私人的话题，在您的人生中，哪一段履历让您印象深刻而且对您的影响最紧张？事情之余您有什么兴趣喜好？您认为优秀的学生应该具备哪些素质？您更注意造就学生哪些方面的能力？
崔铁军：对我来说，初中结业时的抉择（读中专照旧高中）对我的影响最紧张。事情之余的时间实在并不多，之前打羽毛球，现在多走路。学生的种类许多，其寻求目标也不相同，每类学生都有其优秀特质。我认为最紧张的素质是具有坚定的、不浮躁的心田。学生能力的造就也要根据其自身特点而量身定制，比方创造性、独立从事研究的能力、解决工程问题的能力等。
崔铁军院士与学生攀谈
《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》成为海表里学者原始创新的起源地、高端研究结果的载体、工程和体系创新的平台。
崔铁军院士到场《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
《Light》记者先容
郭宸孜，现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）员工，任长春光机所 Light学术出书中心副总编、卓越计划高出发点新刊《eLight》编辑部主任、卓越计划领军期刊《 Light: Science & Applications》（《Light》）责任编辑。曾获第三届天下科技期刊青年编辑大赛一等奖、中国科协优秀科技论文处置惩罚编辑表彰、中科院科技出书先进小我私人奖、长春光机所先进小我私人、中科院长春分院“青年先锋”等紧张奖项，主持了卓越计划高出发点新刊、中国科技期刊编辑学会基金课题、吉林省科协科普项目多个国度、省部级项目，作为共作者出书译著《光学与光子学：美国不可或缺的要害技能》（科学出书社），在 Nano Today, Nanomaterials, Science China Materials, Applied Optics,Applied Sciences, Nanotechnology, Japan Science and Technology Agency（日本科技振兴机构），编辑学报等发表文章 18 篇。曾代表《Light》出席联合国国际光日筹备委员会，在国际学术集会作约请陈诉 20 余次。
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