周磊教授专访：超构表面的科学突破与未来之路
周磊教授是超构材料和超构表面研究领域的领军人物。他在发展梯度折射率超构表面以及利用超薄各向异性材料进行偏振控制方面的开创性工作，共同奠定了超构表面的基础框架。除科研成就外，周教授还担任中国顶尖学府之一——复旦大学的副校长，并新近出任复旦大学未来信息技术学院院长。凭借这些职务，他深度参与了许多旨在促进科学共同体福祉的战略举措和政策制定。为深入探讨以上话题，《Light: Science & Applications》特邀周磊教授进行深度对话。
问题1：您一直是超构材料和超构表面领域的开拓者。最初是什么吸引您进入这些领域？
回答：我的研究方向经历了巨大转变。在博士和早期博士后阶段，我专注于电子关联与磁性理论研究——与电磁波毫不相干。但2000年我赴港科大进行第二段博士后研究，师从沈平教授和陈子亭教授时，事情发生了偶然转折。我记得有一天，我们的实验合作者温伟佳教授制备了一种由密集金属单元组成的分形结构。令我们着迷又困惑的是，光既可以完全透过该结构，也可以被其完全反射。当然，不久后，约翰·彭德里教授提出了负折射理论，大卫·史密斯教授完成了实验验证。但当时我们花了一些时间才意识到，这种现象是由亚波长共振引起的。这项工作于2002年发表在PRL上[1]，当时我们并未称此类结构为“超构材料”，但后来逐渐明确，分形结构是诱导亚波长共振和构建超构材料的理想候选者。
因此，分形结构的发现或许是巧合。但鉴于陈子亭教授课题组长期深耕光子晶体（具有周期性），这种能超越周期性的人工微纳结构的出现，确实令我们所有人兴奋不已。受此热情驱动，我与同事李赞（现埃克塞特大学教授）尝试堆叠正折射率(ñ)和负折射率(ñ)材料，期望发现异常的透射特性。但如我们后续发表的论文[2]所示，这意外导致了零ñ带隙的发现。这进一步改变了我们对光子晶体的思考方式，也促使我的研究转向超构材料。
问题2：在超构材料领域，最出乎意料的发展是什么？
回答：坦率地说，最初我只是被那些意外发现所吸引，作为一个量子物理背景出身的人，我对这个经典物理课题的预期相当有限。但随着时间推移和深入探索，我开始意识到其蕴含的巨大潜力。在超构材料的诸多激动人心进展中，超构表面最令我意外。尽管我们[3]与费德里科·卡帕索教授[4]的工作共同开创了这一领域，但在我最初踏入超构材料领域时，个人并未预见它的到来。超构表面的界面特性为超越块体材料带来了范式转变。特别是当人们试图调控光时，常期望借鉴凝聚态物理的现有知识。然而，超构表面已被证明具有根本性的不同。这就是为何我认为它是该领域最出乎意料且最具突破性的发展。
问题3：得益于您等众多顶尖科学家的贡献，超构表面已接近实际应用？您认为超构表面的杀手级应用是什么？
回答：我个人认为有三类应用。首先，在军事领域，科学家们已在微波频段展示了频率选择表面的应用。但超构表面提供的独特亚波长特性和对电磁波的主动控制能力，为微波频段的军事应用（如隐身、雷达）带来巨大前景，这类应用可能很快落地。其次，在消费电子领域，现有透镜仍过于笨重（尤其对手机而言），因此工作在光学频段的平面超构透镜 (metalens) 颇具吸引力，但可能尚需时日。第三，在片上光子学领域——无论是光计算还是信息处理——超构表面将在紧凑的平面空间内调控光波方面发挥关键作用。其小型化、高效率和多功能性对于将空间光耦合进出光子芯片并同时操控其具有重要价值。希望我们的工作[3]代表了该方向的一个有前景的起点，而近期工作[5]提供了一种可能的解决方案。随着对超构表面理解的加深及微纳加工技术的进步，我相信片上光子学将成为超构表面的主要应用领域之一。
问题4：依托超构表面平台，您课题组展示了多项卓越的光调控成果，包括控制角色散[6]、圆偏振太赫兹波[7]以及产生复杂矢量光场[8]。您如何看待超构表面与新兴光调控平台（如二维材料）的关系？
回答：我认为它们有本质区别。二维材料提供了一类令人兴奋的新材料体系，而超构表面则为设计这些材料提供了新范式。如前所述，人们在调控光时常期望类比凝聚态物理知识。但超构表面无法简单类比，它带来了根本性的范式转变，突破了全局序列、周期性和对称性的限制。这种新范式开放包容，可与任何材料平台集成，以解锁全新功能并提供新的调控自由度。
问题5：您是否有某项研究在发表初期被忽视，多年后才获得认可？
回答：确实如此。早在2007年，我们发表了一项利用超薄各向异性材料调控偏振的工作[9]。据我所知，这是首次利用各向异性界面相位控制电磁波的研究——该思想后来成为超构表面的基本原理之一。然而，最初两三年，这项工作鲜有关注。直到[3]和[4]的出现，学界才开始充分认识到这一概念的重要性。
问题6：2020年，您从第一性原理出发推导了一套快速设计功能器件的理论，发表于《光：科学与应用》[10]。面对复杂光子器件日益增长的需求，您认为该理论如何助力设计并降低计算成本？
回答：我相信现在是这项工作产生更广泛影响的恰当时机。传统上，超构材料（尤其非均匀超构表面）的设计范式严重依赖既往经验和大量参数扫描。这一过程极其耗时，当器件尺寸扩展至厘米级或更大时甚至不切实际。但凭借我们从第一性原理推导的理论框架，设计时可显著缩小参数扫描范围并降低计算成本。特别是在高效人工智能 (AI) 工具快速发展的背景下，这为复杂光子器件的设计变革铺平了道路。诚然，该推导理论可能不如传统工具（如FDTD）易用。但我们正积极努力使该框架更易于学界理解和应用。
问题7：作为光学物理与光学器件领域的顶尖科学家，您在构思创新研究时，是好奇心驱动还是应用需求驱动？
回答：我认为，最初总是好奇心驱动工作——尤其作为一名物理学家。我一直在努力揭示未知现象背后的机制与逻辑。但随时间推移，我日益意识到科学能力与实际应用间的鸿沟。因此，我的研究逐渐转变为好奇心与应用需求共同驱动，这取决于研究的不同阶段。以超构材料发展为例：早期，我们加入该领域构建不同类型超构材料，只为更好地理解其特性与能力；随后我们发现了梯度折射率超构表面，并尝试利用新的自由度——如偏振控制、波前调控和时域调制等。那时我们主要受好奇心驱动，试图掌握新能力和工具；之后，我们开始考虑潜在应用，并投入巨大努力按需生成和操控矢量光场。毕竟电磁波本质是矢量，其波前和偏振分布可以是非均匀的。因此我们提出了一种通用方法，设计具有非均匀全矩阵琼斯矩阵分布的超构表面，可高效生成任意矢量光场[8]；随后，我们进一步引入级联超构表面以解锁时域更多自由度[11]。此阶段动机更为平衡，科学好奇心与实际效用追求并重，我们尝试整合不同能力与工具以满足实际需求。作为一名物理学家，我发现此类应用驱动的研究与纯基础研究同样富有挑战性，若能见证自己开启的工作圆满落地，我将深感满足。
问题8：您提到研究方向的急剧转变，您如何看待进入不同领域？
回答：我并非刻意为之，但如之前讨论，这是好奇心驱使的自然结果。然而回顾过去，我很幸运在获得教职前有机会探索不同领域，这丰富了我的背景和视角。我也强烈建议有志于科研生涯的年轻研究者，在博士和博士后阶段从事两到三个截然不同的课题。多学科背景常能催生创新。这如同金庸小说《射雕英雄传》中的郭靖——他拜师多位，融汇各家武学，终成一代宗师。许多知名科学家持相同观点并从中受益。
例如，我的老朋友、光学领域著名科学家范汕洄教授提出了亚环境被动日间辐射制冷的卓越概念。若无扎实的热力学背景，此想法不可能诞生。我个人也从多学科中受益匪浅。我们早先谈到工作[10]，若没有凝聚态理论背景，我绝不会想到紧束缚模型或其光子学对应物；同样，若无光学基础，利用光散射的念头也不会浮现。简言之，没有多学科背景，工作[10]就不可能完成。总结而言，我想引用中国成语“厚积薄发”——唯有深厚积累，方能薄发突破。当然，涉足新领域伴随风险和挣扎。我本人在转型头两年未发表任何成果。但职业生涯早期试错成本较低，此时冒险更为适宜。
问题9：作为复旦大学副校长，您肩负着繁重的行政职责，但同时活跃于科研一线，如何平衡行政与科研？
回答：平衡二者确有挑战，但我尽力利用碎片化时间和在线工具。一方面，我将课题组周会安排在周末，此时通常更安静且事务较少，能让我更专注科研。我衷心感谢团队成员慷慨为我牺牲部分周末时间。另一方面，我尽量减少面对面会议，代之以在线平台，在零散时间段更灵活高效地进行讨论。幸运的是，我真心热爱科学——做研究于我更似放松而非工作。因此，今天你们仍能看到我直接深度参与的诸多工作和项目，它们通常带有我的风格。此外，我保持乐观心态，视行政职责与科研为互补关系，如水盐相融。事实上，行政工作切实帮助我更好地管理并支持研究团队。
问题10：随着角色转变，您的管理思维如何演变？
回答：发展与时俱进的管理思维至关重要。当你领导单一课题组时，首要职责是引领团队前进。然而，当受托管理多个团队时，角色转变——你需要懂得如何有效支持每位团队负责人。在我看来，这意味着提供强大可靠的后盾以减轻其顾虑，给予指导助其保持正确方向，并赋予足够自由供其探索开拓自身道路。这还需懂得何事应坚持、何事可放手，使每个人能最大化发挥优势，共同成就集体成功。
问题11：作为中国顶尖学府之一，复旦大学近期宣布削减文科社科招生，转而加强理学、工学、医学及交叉学科建设。在复旦120周年校庆转折点，您如何看待此举？
回答：我认为这是明智之举——不仅有利于理学、工学、医学和交叉学科，亦有益于文科社科。首先，正如金力校长在媒体所述及您正确指出的，复旦将强化四个方向（理学、工学、医学、交叉学科）。连同文科社科，每个领域预计将占复旦研究版图的20%。其次，此举亦有助于将复旦本就强劲的文科社科项目提升至更高水平。尤其伴随人工智能崛起，传统文科社科必须转型——重新思考知识传授的传统观念及文科社科研究方式。将科学技术融入这些领域前景广阔。例如，应用于考古学的科学工具已被证明卓有成效。因此，此举并非削减文科，相反，它是激励文科社科在新时代得到强化和现代化的举措。
问题12：复旦大学新近成立您将领导的未来信息技术学院，该学院目标为何？在您看来，与光学相关的最具前景的未来信息技术有哪些？
回答：新成立的未来信息技术学院彰显了复旦发展新工科的雄心。学院成立前，复旦在过去数十年已引进众多顶尖团队并以相对独立方式运行。数代复旦同仁的努力，加之国家和社会需求，最终催生了这所新学院。学院将汇聚工程科学、应用驱动的基础科学及多学科人才，面向未来产业——信息科学技术，尤其是航空航天领域。凭借我在理论物理和应用驱动光学领域的经验，能领导新学院我深感荣幸。希望通过我们共同努力，能为基础突破通向产业变革性技术（尤其是光学工程、电子信息与航天技术）铺平道路。我们热忱欢迎全球青年才俊加入创新学院。
问题13：您期待加入课题组的学生具备哪些品质？
回答：首先，对科学的真挚兴趣是最重要的品质。科研道路上难免遭遇重重困难，正是这份对科学的热爱——而非仅仅对成功的渴望——支撑你渡过难关。其次，我重视展现强大韧性并能应对挫折与压力的学生。此能力不仅对科研，对生活也至关重要。完成重大项目常需接连攻克艰巨任务，途中难免气馁，因此懂得建设性地管理负面情绪十分重要。第三，我欣赏有志设定远大目标并能有效规划日程的个体。若学生带着清晰的愿景（关于想做什么及如何做）与我交流，我将印象深刻并鼎力支持。在我看来，此品质在任何职业中都是宝贵财富。当然，没有学生是完美的——我学生时代亦非如此。因此，我并非期望学生伊始即具备所有品质，而是专注于助其成长。例如，在周会上要求每位学生进行一分钟汇报，总结上周成果及下周计划，以此培养其目标设定与规划能力。
问题14：对于当今面临经费、发表和竞争压力的早期科研人员，您有何建议？
回答：我建议早期科研人员少关注外部压力和竞争者，因这些是你无法掌控的因素。过度担忧不可控之事只会导致持续焦虑、对不确定性的恐惧及不健康的竞争感。反之，请将注意力转向内在成长。若你专注于稳步进步，确信自己日益精进，那么你便重获掌控感——随之而来的是更深沉的内在平和。正如我的朋友兼同事戴德昌教授的妙语：“幸福等于所得除以期望”。若无法增加所得，则降低期望。我深表赞同，提升幸福感必将有益于你的职业生涯。
原文链接：Guo, C. Light People: Prof. Lei Zhou spoke about metasurfaces. Light Sci Appl 14, 231 (2025).https://doi.org/10.1038/s41377-025-01893-z
参考文献：
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[2] Li, J., Zhou, L., Chan, C. T. & Sheng, P. Photonic band gap from a stack of positive and negative index materials. Phys. Rev. Lett. 90, 083901, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.083901 (2003).
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[8] Wang, D. et al. Efficient generation of complex vectorial optical fields with metasurfaces. Light Sci. Appl. 10, 67, https://doi.org/10.1038/s41377-021-00504-x (2021).
[9] Hao, J. et al. Manipulating electromagnetic wave polarizations by anisotropic metamaterials. Phys. Rev. Lett. 99, 063908, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.063908 (2007).
[10]Lin, J. et al. Tailoring the lineshapes of coupled plasmonic systems based on a theory derived from first principles. Light Sci. Appl. 9, 158, https://doi.org/10.1038/s41377-020-00386-5 (2020).
[11]Cai, X. et al. Dynamically controlling terahertz wavefronts with cascaded metasurfaces. Adv. Photon. 3, 036003 (2021).
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