中青報·中青網見習記者 楊潔
在中國科學院物理研究所，研究員陸凌所從事的「狄拉克渦旋」拓撲光腔研究，對普通人來說只是一組晦澀的學術概念。
但從原理到樣品，由物理所光物理實驗室L01組研製出的拓撲腔面發射激光晶元，卻擁有改變人們生活的潛力。它將有可能運用在手機人臉識別、自動駕駛的激光雷達以及虛擬現實的三維感知等領域。
在這個80後青年科研工作者眼中，「能為之不斷奮鬥的好科研項目，是要麼上『書架子』，要麼上『貨架子』，當然最好是兩者都能上。」
圖為陸凌。中科院物理所供圖
今年3月，陸凌團隊的科研成果向社會公開，他們將此前研究發現的「狄拉克渦旋」拓撲光腔，成功應用於面發射半導體激光器中，可以從原理上突破眼下半導體激光的技術瓶頸，同時多數量級地提高其出射功率和光束質量。
眼下日常生活中用到的半導體激光晶元，如互聯網通信所採用的邊發射激光器，或是手機人臉識別所採用的面發射激光器，均是約50年前由美國和日本科學家設計開發的。此類器件在性能和指標等方面都已經到達了自身瓶頸。而目前人臉識別、自動駕駛、三維感知等新興產業的發展，對半導體激光器的性能要求不斷提高，其出射功率低和光束質量差的問題亟須破解。
「半導體激光器的作用好比無人駕駛系統的『眼睛』，如果激光雷達功率低，則意味著看不遠，光束質量差則意味著看得模糊。」陸凌解釋，拓撲腔面發射激光器可以解決智能產品「眼睛視力不良」的問題，大幅度提高激光雷達的探測效果。
可「視力矯正」並非一日之功，要做一個世界範圍內開拓性的研究絕非易事。陸凌的博士論文課題便是光子晶體半導體激光器。從2010年博士後階段起，他就開始從事當時還鮮為人知的拓撲光子學研究，現在這個領域的名稱也是來自他2014年發表的拓撲光子學的同名綜述文章。拓撲光子學的底層數學原理和全新現象，是目前光學和電磁學教科書中所沒有的，這也意味著這一新方向擁有對現有光子學技術帶來變革的可能性。
多個諾貝爾物理學獎從拓撲物理領域誕生，拓撲和物理的結合發現當外界條件大幅改變時，體系的物理性質卻可以保持完全不變的神奇魯棒特性。那麼從理論上講，拓撲的穩定原理應該可以顯著提高各類器件的性能，但在具體的原型器件上卻一直屬於「無人區」。
「我目前所從事的工作是要研發一個由中國原創的、可大規模應用的拓撲半導體激光器件。」 2016年回國後，陸凌便帶領團隊展開了半導體激光晶元性能提升的原理研究；之後，他獲得首批中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等項目支持。
在科研攻關的階段，他的大腦常常「見縫插針」地思考，甚至在吃飯、走路的時間可以隨時隨地思考問題。有時候跟妻子說話，一愣神，不自覺地聯想到了科研問題，外界聲音被自動屏蔽，過了很久才能想起對話。每天晚上躺在床上，他的大腦會開始自動復盤，想一想今天遇到的困難有哪些，問題可能出現在什麼環節。第二天早上一睜眼，他思考的第一件事是，今天要如何解決「昨天遇到的困難」。
拓撲腔面發射激光器研究的突破，來自陸凌撰寫文章時的靈光一現。他突然意識到目前主流商用的半導體激光器設計和抽象的一維拓撲模型是可以打通的，其底層的數學結構其實是完全相同的。一個跨學科領域的聯想幫助他找到了破解半導體激光器問題的辦法，那就是把它從一維推廣到二維拓撲設計。
「思路一下子豁然開朗，對未來的研究有了方向性的突破。」他第一時間去查看文獻，驗證自己的思考是否有漏洞，是否已被前人所提出，是否真的具備可行性。
2022年初，拓撲腔面發射激光器在中科院誕生，實現了遠超同類商用產品的指標和性能，陸凌團隊的研究成果於2022年3月18日發表在Nature Photonics雜誌網站上。其中的拓撲腔，正是在兩年前由陸凌團隊提出的「狄拉克渦旋」拓撲光腔，是已知的大面積單模性最好的光腔設計，成果發表於2020年Nature Nanotechnology雜誌，這裡的大面積提高了激光功率，而單模性保證了光束質量。
近年來，不斷有新學生慕名前來，但並不一定都願意堅持。留在課題組裡的學生可能要承擔延期畢業、論文發表數量少的風險。陸凌希望未來祖國的科研環境里，會有更多願意挑戰一流工作的青年，「一個人如果能在年輕的時候投入一項真正有意義的研究，是莫大的機遇，在黎明到來之前，必須要有耐心。」
從想法到器件，陸凌團隊在破解半導體激光器關鍵性問題上耗費的時間長達6年。但在陸凌看來，等待是值得的，「一個有志向的科學家，會去鑽研一個極其有意義的科學問題。而這個科學問題一旦被解決，要麼會留在下一代人的教科書里，供學習借鑒；要麼是成為生活中可以使用的新技術，改變人們的生活；當然最理想的狀態是兩者都能做到。」
學習了黨的二十大精神之後，作為一個致力於研發中國原創半導體器件的青年科技工作者，陸凌感慨，要「想國家之所想、急國家之所急、應國家之所需」，為實現高水平科技自立自強貢獻自己的力量。
未來，他對自己的科研成果能「走上貨架」充滿了信心：如果拓撲腔面發射激光器從樣品慢慢走向大規模商用量產，那麼數十年後，每一部手機、每一輛汽車、每一個機器人都將有可能會用到這種新型的光源。那時，我國發明的半導體器件將大規模走進千家萬戶。
來源：中國青年報客戶端
