前沿领域的探路先锋

作者｜国防科技大学 颜瑾 孔祥库

“不好意思，请等我一分钟。”记者来到研究员杨镖的办公室时，他正在键盘上运指如飞，聚精会神写一封必须马上回复的学术邮件。秋日的阳光洒在这间只有几平米的办公室，洒在一柜子涵盖物理、数学、光学多个领域的前沿书籍，以及各色有着孔洞、“奇形怪状”的实验样品上。

这间办公室，见证着他上下求索而不得的苦闷，见证着他偶然间灵感迸发的兴奋，也见证着他日复一日的披星戴月。作为学校拓扑光子学方向学术带头人、微纳光学领域专家，10年耕耘，从一个踏入前沿领域的“小白”到以第一作者或通讯作者在《Science》《Nature》等国际顶级学术期刊上发表高水平学术论文20余篇，杨镖一直是一名永不止步的探路先锋。

“做勇闯无人区的探险者”

一天的实验结束，时间已到后半夜，杨镖整理好设备、关上实验室的门后，径直走在下山的路上。幽暗潮湿的夜晚和树林里奇怪的鸟叫，让前方的路似乎变得扑朔迷离起来。

这是杨镖初入拓扑光子学领域不久，在国外留学做实验时的情境。他摸黑下山赶着去吃早饭，然后抓紧时间睡上几小时后再上山接着干。这次实验结果关系到第一篇拓扑电磁超材料论文的理论基础能不能成立，然而在最开始，他甚至不知道怎样设置探针与超材料表面的距离。实验结果未知，实验条件未明，他不得不进行无数次的尝试。

拓扑光子学是物理学的一个分支，2013年时在国际上刚刚兴起。本硕期间杨镖的专业主要在光学工程领域。在他硕士毕业前，偶然听到薛其坤院士的一场讲座，让杨镖第一次对“拓扑”有了深入了解。虽然薛院士谈的是拓扑物理，但杨镖模糊感觉，拓扑和光学也可以碰撞出火花。

巧合的是，他读博期间的导师恰好将拓扑光子学定为了杨镖的研究方向。对于基础研究而言，不挑战最前沿，就只能沦落到“拾人牙慧”。杨镖对这一交叉新兴领域的研究兴趣十足，义无反顾一头扎进去。但他很快发现几乎所有知识都要新学，为了不当“门外汉”，他尝试看课程视频、读论文等等各种方法自学，看不懂太“高阶”的，就从本科毕设论文的内容学起，慢慢的，他摸到了一点门道。

然而从入门到真正产出被学术界认可的论文，还有很长一段路要走。“那段时间，我经常深夜坐在电脑前‘煎熬’我的博士生涯。”杨镖至今仍记得读博3年没有一篇学术成果时的压力。

当时他所在的团队预测到一种能够单向传播的表面电磁波，而要实现这种表面电磁波就需要一个三维微波样品，为了满足实验要求，该样品重达60公斤，相当于一个成年人的体重。他和同学一起用买菜用的双轮小车把样品推上山。为了找到最优的实验条件，他们进行了无数次测试，每一次都耗时超过10小时，又因为借用的是别人的实验室，他们不愿浪费一分钟，经常干到深夜甚至凌晨两三点钟。

“神话中的西西弗斯日复一日坚持滚石上山、次次失败也不气馁，我们每日上山实验，日日失败也照样重头再来。”在不懈坚持下，实验最终成功，杨镖终于在拓扑光子学领域发出第一篇论文。

“时刻准备着”

杨镖自嘲是一个“兴趣爱好单一”的人，不爱打游戏之类的娱乐项目，跑步和喝咖啡可能是他生活中仅有的两个爱好。

有趣的是，他发表于国际顶级期刊上的两篇论文，灵感就来自于他的爱好。

“惊喜”发生在一个关于自旋轨道的实验中。当时杨镖注意到一个马鞍形结构，他在计算该结构的能带时，意外发现它有一个有趣的现象——非常漂亮的二重简并点。在组内的咖啡时间，杨镖和几个同学聊起这个现象，在思维火花的碰撞间，杨镖忽然发现，这个马鞍形结构很可能是一种理想外尔超材料。意识到这可能是一个重大发现，他立即向导师汇报、迅速设计新的实验，深入研究和验证这一现象。通过微波近场扫描，杨镖得出一个极为漂亮的手性螺旋表面态，验证了理论的正确性。该成果整理写出的论文不仅发表在了《Science》上，而且从此以后，该结构成为拓扑光子学领域的一个经典结构。

“真正的突破往往来自于意想不到的发现。但为了迎接那个随时可能到来的‘偶然’，我们必须做‘有准备的人’。”杨镖说。

有时候看见实验楼里一个装电缆的箱子上有三角形的周期性结构，或是候机时看见机场天花板上的复杂网格结构，只要是令他觉得有意思的结构，他都会拍下来，然后联想到自己的实验和理论上去。哪怕验证之后发现百分之九十九的想法都是错误的，杨镖还是会在发现好想法的时候就立刻验证。

灵感常常会在杨镖跑步放空大脑时“蹦”出来。一次在湘江边跑步，望着滔滔江水，他的脑子里又跳出一个不着边际的想法：“光是矢量，水是标量，光和水能不能‘结合’，形成标量拓扑光子晶体……”天马行空的创意，从脑子里如流星般划过，却没有就此消失，杨镖越想越觉得可行，调头就回实验室做验证。后来，这个灵感形成的论文发表在《Nature Materials》上。

“科研的道路并非一帆风顺，尤其是在面对全新领域和复杂理论时，经常伴随着挫败感。这个时候，做足准备，坚定做科研的信心和决心，是最重要的。”杨镖说。

“与全世界最聪明的大脑赛跑”

从一名普通的博士生到一名研究员、博士生导师，获得国家“优青”等诸多荣誉，杨镖的跨越太快，以至于他感慨：“由博士身份变成博士生导师后，常常不知如何自处。”

“前沿基础研究是和全世界最聪明的人在赛跑，每天、每小时、每分每秒都很珍贵。”自己当了导师以后，杨镖才深刻感受到，赛跑时跑在第一个的人是最难、压力最大的。怎么给学生一个好方向，怎么指导学生完成一个好想法的验证、计算与实验，怎么能让学生们尽可能跑在最前面？杨镖每一天都在思考这些问题。

为此，杨镖的视野始终瞄准国际，即便日常工作再忙，他也经常上学术网站去看全世界科学家分享在上面的最新未发表研究成果，找到自己能看懂的最前沿内容，抓紧时间阅读和思考。

不过，在学生面前，他经常用有趣的比喻激发学生的研究热情：“我们做这个方向的研究，就和打游戏一样，每往前推进一点，地图就会变大，可探索的内容会更多。”

他协助指导的博士生王涵钰说：“杨老师对我们来说既是良师也是益友。”理解拓扑光子学这一方向对数理基础有极高的要求，王涵钰感到挑战重重，尤其是啃国外教材时，语言关、理解关、领悟关，关关难过。每到这种时候，杨镖会将一个晦涩难懂的概念解构成很多细小的知识点讲给学生听，通过多个例子从各种角度分析说明，并且旁征博引拓展学生的知识边界，令学生们收获颇丰。“杨老师是一位‘神仙’导师。”王涵钰说。

而如何将已有的理论成果化为实际应用，则是杨镖开始带领团队后需要思考的新问题。“我们的成果能不能为学校的重大工程做出可用的关键器件，这是我未来努力的方向之一。”

如何带好一个团队，如何选择一个方向，如何培养好一名学生，如何实现应用转化，这4个“如何”成了他的新“前沿课题”。

目前，杨镖正带领团队，深耕拓扑超材料的机理探究和应用研究，有望在隐身、激光、雷达等方向开辟新的技术途径、再获重大突破。