博士生一作發布重要成果！發現反直覺物理現象

短短5天內，先是喜添貴子，然后喜提Nature子刊。對于科研和人生來說，這無疑達到了一個小巔峰。

蘇黎世聯邦理工學院（ETH）博士生王智鑫戴上了這個主角光環。他所在的研究團隊突破了量子級聯激光器（QCL）的閾值功耗紀錄，將紀錄拉低了40%以上。

但其最大學術亮點還不在于此，而是發現了一個新的、違反直覺的物理現象，將激光器的功率和功耗同時優化。

王智鑫作為一作的這項研究于1月11日發表在Nature Communications（《自然通訊》）上。值得一提的是，他還是這篇論文的通訊作者。一個博士生被列為通訊作者，也體現了他在這項研究中的貢獻。

根據Nature Communications網站公布的信息，審稿人認為，作者采用的降低中紅外QCL功耗解決方案是原創的，文章質量也又緊湊又好。

圍繞降低功耗開腦洞

量子級聯激光器是中紅外波段主流的激光器類型。但高功耗一直制約其廣泛應用。

怎么降低QCL的功耗呢？

2019年年底，王智鑫的導師、ETH物理學家杰羅姆·法斯特（Jérôme Faist）教授讓他去開展這個新課題。一方面要把器件尺寸盡量做小，另一方面盡可能減小器件的能量損耗。這兩個目標其實是沖突的，因為QCL的器件變小，會增大損耗。

當時，王智鑫已經在ETH讀博3年了，正在考慮畢業事宜，新課題的領域方向他并不太熟悉。更糟糕的是，還趕上疫情封鎖，實驗室的使用也受干擾。他一下就抓了瞎，接下去的半年時間，沒有任何進展，整個人“很崩潰，也很沮喪”。

但研究思路一直在頭腦中奔跑，終于，王智鑫想到，不如回到最基礎的方向去試一下。

QCL的核心部分是一個腔體。理想情況下，最簡單的低損耗腔體，就是兩面平行、相對的鏡子，光在其中來回反射，如果跑不出去，又沒有被吸收的話，損耗就是零。為了讓這兩面鏡子的反射率最大，鏡面都鍍上了金。

經鍍金處理的實驗器件，長度做到250微米，功耗低至300毫瓦；而一般QCL的長度是4毫米左右，功耗約10瓦。顯然第一步成功了，實現了功耗的顯著降低。

但這樣設計有一個致命的問題，那就是由于兩面都完全鍍金，光根本跑不出來，沒法用，怎么辦？

搞物理的人喜歡用直覺思維，要想出光，最直接的辦法就是在鍍金鏡面上打個眼兒。不過，開孔后會產生新問題，就是鏡面的反射率隨之下降、激光器損耗反而隨之上升，功耗還是降不下來。

但管不了那么多了，先做仿真吧。

王智鑫

王智鑫通過大量的計算機模擬，竟然發現還真有辦法。對于4.5微米波長的光來說，如果在鍍金膜上開一個直徑大約990納米的圓孔，不僅出光功率可以大幅提高，而且鍍金膜的反射率竟然也可以同時提高。換句話說，激光器的功率和功耗可以同時得到優化。

在特定的亞波長尺寸范圍內，開孔可以提高金屬鍍膜的模式反射率（圖片出處為本文的論文）

發現新的物理現象

王智鑫把仿真結果跟同組人講，大家都不相信。

這怎么可能呢？透射和反射同時提高，這似乎違背了能量守恒定律。好比在大冬天敞開家門，室內的溫度反而變得更熱了。

通過仔細研究，王智鑫發現，光在激光器的腔體里傳播時，其實是一直被束縛在一個比較狹小的“管道”（波導）里。當光被鍍金膜反射后，有一部分“跑”掉了，無法重新進入到“管道”里。如果在鍍金膜上打一個精確設計的小圓孔，那么這個圓孔實際上會起到透鏡的作用，把反射的光重新“聚焦”到“管道”里。

金屬鍍膜上的小孔實現類似于聚焦的效果

相比于沒有打孔的情況，這時雖然有光透射出去，出光功率提高了，但是有更多原本耗散掉的光，又被聚焦到了“管道”里，所以進入“管道”的反射光也變強了。于是，在提高激光器出射功率的同時，損耗也降低了。

王智鑫告訴《中國科學報》，這是傳統幾何光學無法解釋的現象，是在特殊條件下才會出現的現象。

原理搞清楚了，經過反復的探索和嘗試，這一結果最終成功得到了實驗的驗證。研究者在激光器兩邊的金屬鍍膜上，先后打開了兩個直徑950納米的圓孔，這不僅將激光器的出射功率大幅提高，而且最終功耗比之前的世界紀錄降低了40%以上。

當王智鑫將實驗成果向導師展示時，杰羅姆興奮地說，“Im very excited.It made my day.”（我太激動了，它讓我一天都很開心）。

簡單本身，就是一種美。雙面鍍金，本是最簡單、最基礎的低損耗設計；打孔，也是最直觀、最本能的出光辦法。把這些極簡的設計組合在一起，竟然實現了有違直覺的現象，還突破了一個指標的世界紀錄。

在王智鑫看來，這正是物理學“美”的一面。

導師人設：一半是物理學家，一半是工程師

王智鑫的導師杰羅姆，以在量子級聯激光器發明中的核心作用而聞名。

1994年，全球第一臺QCL由杰羅姆，著名的應用物理學家費德里科·卡帕索（Federico Capasso）和華人科學家卓以和等共同研制。

ETH物理學家杰羅姆·法斯特

杰羅姆的Google schoolar引用數超過4.5萬，H指數達104，在該領域內具有很高排名。圈內還有傳聞稱，杰羅姆因在QCL上的卓越貢獻，曾經被列為諾貝爾獎提名。

在QCL發明之前，半導體激光器的發射波長主要在可見光和近紅外波段；QCL的問世，直接將半導體激光器的應用范圍拓展到中遠紅外和太赫茲波段。目前，其主要應用于環境檢測、痕量氣體檢測等，此外，在軍事方面也有重要應用，如激光制導、毒氣檢測、激光雷達、自由空間通訊等。

世界著名的瑞士少女峰山頂上，就有一臺QCL。十余年來，它一直在持續監測大氣層中二氧化碳的濃度。

目前，QCL的功耗基本都在10瓦以上，相當于家用照明LED燈泡的功率。在工作時，這種器件依賴于強大的散熱系統——它們往往非常笨重，難以便攜移動——從而制約了QCL在類似無人機這樣的移動平臺上使用。

突破尺寸和能耗的制約，是杰羅姆的一個夢。從商業價值來說，如果有一天能將QCL裝進手機里，那應用場景就普及了。

王智鑫喜歡舉垂直腔面發射激光器（VCSEL）的例子，來說明一項研究所蘊含的商業價值。

VCSEL隨著尺寸和能耗的縮小，經歷了兩次大發展。第一次就是VCSEL用于光電鼠標，產業規模瞬間就爆了；第二次就是智能手機引入VCSEL，當作3D傳感攝像頭的關鍵元器件。找到一個普適性場景，就能極大地提高商業價值。

杰羅姆熱衷于將科技成果用于商業化。他曾表示，“我覺得自己一半是物理學家，一半是工程師。如果只涉及我的一半，我會不高興。”

即使是做非常基礎的研究，杰羅姆也總是想著什么可以用于實際應用。他參與創辦了Alpes Lasers、IR Sweep和Miro Analytical等公司，不放過將實驗室技術商業化的任何機會。

曾被這項研究折磨得幾近崩潰的王智鑫，如今能夠平淡地回憶研究過程。他表示，發期刊最開心的時刻是實驗成功的時候，因為覺得自己的辛苦沒有白費，自己好像把人類認知的邊界往前推動了一點點，這種超越自身的成就感是很令人開心的。

導師和王智鑫 受訪者供圖

等到投稿，修改，歷經各種波折，最后文章成功發表出來的時候，其實沒有什么特別的感覺。

王智鑫在山西太原出生和長大，本科和碩士研究生階段，都是在北京大學度過的。

如今剛過30歲的他認為，發文章已經是過去時了，生子才是人生新的開始。他表示，生孩子的感覺很復雜，除了幸福，也有忐忑和壓力，他不知道自己能否勝任一個好父親的角色。