AI+量子+光子技术交叉融合：下一代光学突破方向

访谈

用于动态光子技术的可定制材料

亚历山德拉·博尔塔塞娃（Alexandra Boltasseva）在接受《光学与光子学新闻》（OPN）采访时，探讨了材料科学的进步如何为新型光学技术的发展创造可能。

美国普渡大学（Purdue University）的亚历山德拉·博尔塔塞娃专注于纳米光子技术、量子光子技术、等离激元光子学、光学材料及超材料领域的研究。她在采访中向《光学与光子学新闻》介绍了其团队近期在可定制、可调节材料方面的研究，以及材料科学、光学与工程学领域开展高效合作的前景。

问：能否介绍一下您的团队目前正在开展的研究工作？

答：长期以来，我的团队一直致力于材料科学、工程学与光子技术交叉领域的研究。一切研究都以材料为起点，我始终强调，将这些学科有机结合至关重要——这不仅能助力发现光学领域新的基础效应、探索未知领域，更重要的是，能推动新理论转化为实际技术。

我们注重基础研究，因为颠覆性的新技术和新应用都源于基础科学的突破。我们希望实现彻底的变革，而非渐进式的改进。因此，我们会从探索新现象、新理论入手，进而研究何种材料、结构和器件设计能将新想法转化为实际应用。要实现这一目标，团队协作是关键。我不相信“个人帝国”，我认为合作与团队协作至关重要。我的研究小组是普渡大学纳米技术中心一个更大光子技术团队的重要组成部分——这个团队堪称我的“学术大家庭”，由我的同事弗拉基米尔·沙拉耶夫（V. Shalaev）教授和亚历山大·基尔迪舍夫（A. Kildishev）教授共同领导。该中心具有高度跨学科属性，汇聚了不同学科的研究人员，因此我们的研究合作氛围十分浓厚。

问：您的团队目前主要研究哪些类型的材料？

答：近年来，在众多材料中，有两类材料已成为光学新型应用领域的潜力之选。第一类是半金属材料，具体而言是过渡金属氮化物——这类材料在光学波段的表现与传统金属相似，且具备诸多优良特性，不仅在不同工作条件下性能稳定、可实现规模化生产，还可进行定制。例如，过渡金属氮化物在纳米光子技术领域（尤其是在被称为“等离激元光子学”的金属基光学领域）备受关注：其光学响应与金属相近，但可通过调节呈现出介电特性或金属特性。此外，过渡金属氮化物还存在一个特殊的“介电常数近零（epsilon-near-zero，ENZ）”区域，且该区域的参数可调节。

基于这类材料，我们开辟了一个新的研究方向，将其命名为“跨维度光子技术”——因为它介于纯二维体系与传统薄膜之间。这类仅几个原子层厚的材料展现出诸多有趣特性，有望在超表面平面光学、可调节平面光子技术以及非线性光学与量子光子技术领域催生新应用。

（图片说明：美国普渡大学实验室中，研究人员亚历山德拉·博尔塔塞娃（左）与弗拉基米尔·沙拉耶夫（Vladimir Shalaev）正在开展研究。图片来源：普渡大学）

“我们希望实现彻底的变革，而非渐进式的改进。”

——亚历山德拉·博尔塔塞娃

第二类材料是透明导电氧化物（Transparent Conducting Oxides，TCOs），如氧化铟锡、掺杂氧化锌等。长期以来，这类材料在光学和光电子学领域被广泛熟知，常用于透明电极和显示面板。它们既具有导电性，又在光学波段具备透明特性（即吸收率极低）。我们对这类极具潜力的材料已研究多年，它们在全光开关和低损耗可重构光子技术应用中前景广阔。此外，透明导电氧化物还具有低损耗、高可调的介电常数近零区域，目前正推动非线性光学和动态光子技术领域涌现出多项极具前景的应用。近期，我们与米哈伊尔·塞格夫（M. Segev）教授领导的以色列理工学院（Technion）团队开展合作，探索透明导电氧化物中的超快光开关特性，这项研究有望助力实现光子时间晶体。

问：这些材料的可定制性体现在哪些方面？这种特性为何具有重要意义？

答：当你脑海中有了新想法或新器件设计方案时，首先需要找到合适的材料作为研究基础。过去，在光子技术领域，我们往往局限于使用现成的传统材料。例如，在等离激元光子学应用中，通常会选择金或银作为研究材料。但对于许多应用场景而言，这些材料要么无法定制、调节，要么稳定性不足。光子技术领域一直缺少的，正是像半导体领域那样可高度调节的材料——在半导体领域，研究人员可通过掺杂、调控生长条件、施加应变等多种方式，在大范围内控制和定制材料特性。

【图片说明：结合超表面与液晶技术的可重构平面透镜】

如今，在光学领域，我们也拥有了这些可“调节的旋钮”：通过调节，可使材料在特定波长下呈现出更强的金属特性或介电特性。这一特性意义重大，因为研究人员能够通过设计和改造，让材料在目标波长下展现出精准的特性。以透明导电氧化物为例，我可通过调节掺杂浓度和沉积条件，使介电常数近零区域的波长与实际需求完全匹配。而介电常数近零区域与工作波长匹配，意味着器件在中等激发条件下就能实现强调制——这对于实现全光开关等功能至关重要。此外，通过改变材料的化学计量组成、沉积条件或衬底，还可调节材料呈现介电特性或金属特性的波段，并对损耗和动态响应进行调控。

“我们的主要研究方向是全光调制，因为它能在超短时间尺度内实现调控。”

——亚历山德拉·博尔塔塞娃

这也是我们开始研究跨维度薄膜材料的原因——这类材料在电偏压、应变或光激发等外部刺激下，光学响应会发生高效变化。通过改变薄膜的成分、掺杂情况、衬底及沉积条件，我们能够像调控半导体材料那样，对跨维度薄膜的金属特性进行调节。

除了上述“静态可定制性”，材料还具备“动态可调性”——即在材料制备完成后，仍可对其特性进行调节，类似可重构器件的工作原理。我们的主要研究方向是全光调制，因为它能在超短时间尺度内实现调控。

问：您团队未来的研究方向是什么？

答：在研究领域取得成功的关键之一，是要能洞察未来的发展方向。你需要预判未来5到10年的趋势，同时开展既符合当前技术需求、又兼具基础研究与应用研究属性的工作。当前，我们正经历两场技术革命：人工智能（AI）革命与量子技术革命。因此，实现这些学科的交叉融合，并将量子技术与人工智能领域的新发现应用于光学领域，变得至关重要——这是实现颠覆性突破的重要路径。

早在“量子热潮”兴起之前，我们就已开始量子光子技术领域的研究。因为我们预判到量子技术的发展趋势，意识到基础量子科学与工程学的融合已箭在弦上。我们的目标是充分利用光子技术领域的新想法、新理论（尤其是纳米尺度片上光子电路相关技术），推动纳米光子技术与量子光子技术领域的进一步发展。目前，我们正致力于实现片上量子发射的精准调控，并研发单光子源、单光子探测器等器件。

人工智能领域的研究也是如此。多年前，我们就开始将机器学习方法应用于研究工作与光子器件设计中——不仅用于逆向设计，还用于推动量子领域光学测量技术的进步。

未来几年，将经典技术、量子技术与机器学习方法相结合，设计出高性能、高效率的光子器件，将是该领域的重要研究方向，也必将催生诸多极具价值的新突破。

新闻来源：《光学与光子学新闻》2025年11月版