咔嚓，給果盤拍一張照片，蘋果從哪兒咬下去最甜，哪顆葡萄水分最足，一看便知。

       咔嚓，站在20米開外，對著火花四濺的煉鋼爐照一下，爐內溫度一目了然——一千多攝氏度，誤差僅有正負10攝氏度。

       未來，更多的“咔嚓”聲會在我們身邊響起——糖尿病患者不采指血就能測血糖，外科大夫在手術中可精準定位癌細胞邊緣，環(huán)保工作人員通過拍照看透水質污染情況，無人駕駛、AR（增強現(xiàn)實）和VR（虛擬現(xiàn)實）穿戴設備等領域都將上演類似火眼金睛的“魔法”。

       成就這一“魔法”的是一枚小小的光電芯片，其背后是清華大學電子工程系教授黃翊東團隊近二十年的辛勤付出。他們的成果在外行看來大多深奧難懂，比如“光子晶體超光譜成像芯片”“自由電子輻射芯片”“軌道角動量輻射芯片”“量子態(tài)產(chǎn)生及操控芯片”等，但是每一項都頂著“國際首款”“世界紀錄”“全球首創(chuàng)”的光環(huán)。

以“芯”為眼 奇光析彩

       “學生說，我是個‘矯情’的老師?！辈稍L時，黃翊東手邊擺著一本即將出版的固體物理教材，她坦率地笑稱：“確實‘矯情’，一本十幾萬字的教材，每一頁、每一行我都看得仔細，不允許有一點瑕疵?！?/span>

       一絲不茍、追求極致的勁頭，有自身性格的原因，恐怕也和她的科研領域有關——團隊致力于微納光電子領域的研究，近乎原子量級的尺度，芯片結構即使差若萬分之一毫厘，特性都將謬以千里。

       這支創(chuàng)“芯”團隊成績斐然，其中，最令黃翊東得意的，當屬國際首款實時超光譜成像芯片。

       “它的獨到之處是能看透萬物?！秉S翊東耐心地從頭講起：光是一種電磁輻射，根據(jù)頻率不同，分為無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X射線等。不同物質對不同頻率的光吸收不同，反映出不同的光譜。光譜就像是物質的指紋，記錄信息詳盡且獨一無二。人類的眼睛雖看得到顏色，卻分辨不出光場的頻率?！氨热纾{光與黃光的混合會讓我們感覺看到了綠光，但實際上并沒有綠光這種頻率。”她補充，而借助實時超光譜成像芯片，大到湖泊山川，小到一粒細胞，只要能被鏡頭照到，都可以被看透。

       “我們的獨創(chuàng)性在于，在芯片上實現(xiàn)了可以看穿一切的光譜分析技術。”黃翊東小心地用鑷子挑起這款芯片，普通紙張薄厚，表面積不足成年人一個食指的指肚，“此前，如果想精準讀取物質光譜，需要大型光譜儀。個頭兒和家用微波爐類似，價格以幾十萬元起步。不僅個大價貴，它還只能獲取單點的光譜，光譜成像需要通過逐點掃描，無法獲取同一時刻不同空間點的光譜信息，更談不上跟蹤移動物體。”

       現(xiàn)有技術的瓶頸，正是黃翊東團隊努力攻克的方向?！肮庾V成像芯片在物理效應、制備工藝、算法配合上都需要創(chuàng)新突破，技術壁壘非常高?！?/span>

       迎著光細看，這款芯片閃耀著類似蝴蝶翅膀般絢麗的色彩，這實際上是很多亞微米尺度周期微孔形成的效果，學名為“光子晶體”結構。如果放大1000倍，微孔的直徑也不到一毫米，光譜成像芯片就是在芝麻粒大的面積上刻制出上千個這樣周期排列的微孔，而且微孔的形狀很豐富，有圓形、方形、菱形、十字和斜十字等。黃翊東自豪地說：“截至目前，我們已經(jīng)可以精準刻制400多種形狀的周期排列微孔了。”

       在堅硬的半導體材料上按需刻制這些微孔，必須采用干法刻蝕技術。工作原理是通過弱電離的工作氣體在需要形成微孔的位置與半導體材料發(fā)生物理、化學作用，生成氣態(tài)反應物，再用真空系統(tǒng)將氣態(tài)反應物抽走，從而刻蝕形成微孔。各種專業(yè)詞匯，外行很難理解，黃翊東將原理掰開揉碎，向記者耐心翻譯：微孔是用“氣鏟”加化學腐蝕配合刻出來的。側壁各點橫向刻蝕的速度要一致，才能保證孔壁垂直。一旦速度有快有慢，微孔內壁就會變形。微孔直徑越小深度越大，刻制的難度越大。

       自打2005年師從黃翊東攻讀博士起，現(xiàn)任清華大學電子工程系副教授的崔開宇就參與到了光子晶體研究中，如今已成為團隊的主力。她帶領學生深耕刻“孔”工藝，提出側壁鈍化側蝕動態(tài)平衡的干法刻蝕技術，通過控制不同深度反應物的析出沉積比，獲得了垂直刻蝕側壁形貌，為微型光譜儀的實現(xiàn)打下了堅實的工藝基礎。

       執(zhí)著的追光人，必將迎來光環(huán)加冕。

       經(jīng)過十余年的努力，團隊基于光子晶體結構，在百微米的芯片上創(chuàng)造了可實現(xiàn)超高頻譜分辨率的單點光譜儀，即便眾多這樣的光譜儀集成在一起，也不過占據(jù)方寸之地。黃翊東給出一組數(shù)據(jù)：“我們在0.5平方厘米的芯片上集成了15萬個微型光譜儀，也就是空間分辨率超過了15萬光譜像素?！?/span>

       這款芯片帶來了實時“所見即所知”的可能。經(jīng)實驗對比證明，與大型光譜測量設備相比，微型光譜儀的識別率毫不遜色，光譜分辨率達到了0.8納米。為了讓記者對“納米”這一微觀單位有實感，黃翊東形象地比喻：“如果把我們所在的十一層樓高的清華大學羅姆樓當成一米單位，那么一納米就相當于我們頭發(fā)絲的截面大小?！?/span>

       實時光譜成像芯片為智能感知技術開拓出了一個新的信息維度，一系列的“不可能”正在或即將成為現(xiàn)實：

       團隊與清華大學生物醫(yī)學工程系教授洪波團隊合作，首次觀測到了活體大鼠腦部血紅蛋白及其衍生物特征光譜的動態(tài)變化，獲取了大鼠腦部不同位置的動態(tài)光譜變化情況?！敖Y合專業(yè)領域知識，可以讀懂大鼠腦部神經(jīng)元的活躍狀態(tài)”；在筷子上加載芯片，各種調味添加劑都將無處遁形；用手機攝像頭來張自拍，就能實時解讀皮膚狀態(tài)，分辨化妝品的匹配度；還有精準農業(yè)、物品分揀、遙感測繪、物質鑒別……一枚芯片，大有可為。

       國際權威學術期刊《科學》發(fā)表論文《光譜儀的小型化》，將黃翊東團隊的超光譜成像芯片技術列為該領域最新的研究成果。目前團隊成立的成果轉化初創(chuàng)企業(yè)“北京與光科技有限公司”已發(fā)布數(shù)款產(chǎn)品原型，光譜成像芯片走入實際應用指日可待。

用“芯”鋪路 逆光跋涉

       外行人眼中的追光而行，其實有一個“逆光”的由頭——

       上世紀九十年代初，黃翊東作為清華大學和日本東京工業(yè)大學聯(lián)合培養(yǎng)的博士生，赴東京工業(yè)大學荒井研究室學習?！爱敃r面臨著雙重考驗：一方面語言不通，環(huán)境陌生；另一方面是專業(yè)不銜接，我在清華的研究生專業(yè)方向是光纖器件，轉到光電子芯片領域，聽上去都與光相關，但實際上差別很大?！痹诤芏鄨龊?，黃翊東都會回憶起那段日子，“當時清華大學只有兩個名額，所以我特別珍惜這次被選派留學的機會，為了能在短時間內追趕上有專業(yè)背景的同學，我每天都要學習、工作十五六個小時?！彼挥昧藘赡陼r間就完成了博士論文，而畢業(yè)后在國外芯片產(chǎn)業(yè)界近十年的打拼經(jīng)歷，也讓她深切感受到中國芯片落后于人、受制于人的窘境。

       2003年，黃翊東抱著發(fā)展我國光電子芯片的念頭，從日本重返清華。“就像下棋一樣，追著國外已有的科學技術跑，只能算后手。我們應該沖到學科前沿，努力實現(xiàn)超越，在全球范圍內創(chuàng)造不會被‘卡脖子’的引領技術?！?/span>

       懷著這樣一種“逆向思維”，黃翊東選擇了一條新賽道——微納結構光電子芯片。當下，微納光電子已成為發(fā)展迅速、研究活躍的前沿熱點領域，是新型光電子產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。而在當時，這個領域只能算晨光熹微。

       縱觀全球，無論是已有的傳統(tǒng)光電子芯片工藝平臺，還是新興的硅光平臺，都無法滿足微納結構光電子芯片制備材料多樣、工藝復雜的需求。黃翊東意識到，在微納光電子芯片這個新賽道上，無論是前沿的創(chuàng)新研究，還是成果的產(chǎn)業(yè)落地，都亟需解決所面臨制備工藝短板。

       “逆光跋涉，先從鋪路開始吧?！?/span>

       2004年起，黃翊東團隊一步一個腳印，從研發(fā)基本結構的制備工藝、到搭建微納結構工藝平臺，在微納結構制備工藝的核心技術和量產(chǎn)推廣的工程難點上取得突破。逆光跋涉，個中艱辛一言難盡。黃翊東笑著說，最初搭建超凈實驗室的過程中，她如同水工電工，什么活兒都干過。

       18年的堅持和積累，黃翊東團隊在微納光電子芯片的賽道上取得了制備工藝的先發(fā)優(yōu)勢：搭建起國際上首個跨材料體系的微納光電子芯片代工平臺，同時成立了專注芯片工藝的初創(chuàng)企業(yè)“天津華慧芯科技集團有限公司”，已經(jīng)為500余個科研團隊的前沿研究和企業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)提供定制的微納結構芯片加工和工藝開發(fā)。其中包括北京大學、中國科學院、浙江大學等80余所研究機構及大學的科研團隊。

       當年還有個小段子。黃翊東回國后，在清華指導的第一位博士生跑來問：“老師，我坐哪兒？”他沒注意到的是，黃翊東自己也正坐在一張臨時辦公桌前。黃翊東詼諧地安慰學生：“會有的，工位會有的，實驗室也會有的?！睆幕I款蓋樓到購置設備搭建平臺，如今黃翊東團隊把這句看似玩笑的話變成了現(xiàn)實。

       這位博士生劉仿，如今已經(jīng)是清華電子系教授，也是研究團隊的主力。他帶領學生研制出世界首款自由電子輻射芯片的過程，也有一段“逆光”解題經(jīng)歷——

       通俗地說，這是一道關于搭車的應用題：如果將材料中傳播的光子比作一列有無數(shù)節(jié)車廂的列車，由車頭在最后方推著火車勻速前進。順著車前進的方向，高能帶電粒子想搭車，就得趕緊跑，跑的速度必須要超過車頭的速度（材料中光的相對速度）才能上車，此時帶電粒子會發(fā)出一種稱為“切倫科夫輻射”的電磁場。劉仿說，產(chǎn)生光波段切倫科夫輻射的最小電子能量最少需2萬電子伏特，這樣高速飛行的電子只有大型電子加速裝置才能做到。

       “如果換成由車頭在最前邊牽引這列無限長的列車，高能帶電粒子再想搭車，它的速度就不能超過車頭的速度，因為這時車頭前方?jīng)]有車廂?！秉S翊東以手當車，比劃著講解，“從求快到求慢，這個現(xiàn)象只會出現(xiàn)在雙曲超材料中。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)自由電子光源需要大型電子加速器的固有范式?！?/span>

       劉仿從攻讀博士時就開始研究納米尺度金屬薄膜的制備工藝及其表面等離子效應，最終成功制備出了雙曲超材料，并研制出世界首款自由電子輻射芯片。在不到一毫米的芯片上，實現(xiàn)了大型自由電子加速器中才能看到的自由電子輻射現(xiàn)象。相關研究論文在國際權威期刊《自然·光子》上發(fā)布，成果入選了“2017年中國光學十大進展”。

       “我們要勇于創(chuàng)新，還要鍥而不舍，因為任何創(chuàng)新性的研究都是很不容易的?！秉S翊東直言，“容易的別人都已經(jīng)做了，只有堅持，才有可能走到最后，才能夠取得最終的成功?！?/span>

“芯”火相傳 燭光清韻

       最近，黃翊東在準備技術發(fā)明獎的申報材料。在“成果社會效益”部分，“推動我國光電子芯片領域的人才培養(yǎng)”是壓軸內容：“結合光電子芯片工藝研發(fā)、器件創(chuàng)新，讓學生了解芯片領域的國際競爭，意識到自己擔負著發(fā)展國產(chǎn)芯片，走出‘無芯之痛’的責任。”這也是黃翊東經(jīng)常對學生念叨的一段話。

       “我的本職是一名老師，人才培養(yǎng)是老師的根本任務?！睘榱伺囵B(yǎng)知識、能力、素質全面發(fā)展的拔尖創(chuàng)新型人才，黃翊東在清華電子系任職的13年里，在電子信息大類課程體系的重建中投入了大量的精力。重建后的課程體系打通了“信息”和“電子”兩個專業(yè)，使芯片領域的人才培養(yǎng)綜合了兩個學科領域的知識背景。她還為全系本科生親授芯片領域重要的基礎課程“固體物理”，并編寫出版了教材。

       黃翊東留過學，有近10年在產(chǎn)業(yè)界的工作經(jīng)歷。她說，“我們希望讓成果變成真正能用得上的產(chǎn)品。但是從科學研究、技術研發(fā)、工程化研究到產(chǎn)業(yè)化落地應用，這個漫長過程，只有經(jīng)歷過才能懂，這些很難從書本上學會?！睘榇耍娮酉翟O立了電子信息創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專業(yè)碩士學位項目，學生第一年在校學習，第二年之后深入社會企業(yè)，既培養(yǎng)扎實的理論基礎，又培養(yǎng)實踐能力，以更好地滿足國家對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的需求。

       在清華大學羅姆樓一層，建有400多平方米微納光電子的超凈實驗室，里面裝配著各種先進的儀器設備，這里不僅是黃翊東團隊科研的平臺，也是培養(yǎng)人才的搖籃。

       實驗室的墻壁上，團隊師生的照片和名字被放在了醒目位置。“18年來，我們累計培養(yǎng)了100余名畢業(yè)生?！秉S翊東如數(shù)家珍地介紹，有些畢業(yè)生成了一流高校教授，活躍在創(chuàng)新研究的第一線，也有不少投身芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，創(chuàng)立了華慧芯、與光、光鑒、一徑、海爾欣等光電芯片企業(yè)，目前總估值逾50億，已成為推動我國光電芯片創(chuàng)新研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。

       “在一些研發(fā)成績單上，我已經(jīng)是第三發(fā)明人了，我的學生、學生的學生是第一和第二發(fā)明人。”黃翊東欣慰地說，在微納光電子芯片這個賽道上，團隊不僅有著制備工藝上的先發(fā)優(yōu)勢，更是逐步形成了薪火相傳的人才梯隊。

       照片墻對面，是實驗臺。上面擺著顯微鏡和成捆的白色光纖，還有各種叫不出名字的光電子配件。

       一臺設備正在運轉的實驗臺上，團隊老師張巍的量子態(tài)產(chǎn)生及操控芯片正在工作?！白罱奈迥辏@項研發(fā)聚焦在硅光量子芯片上，它能夠實現(xiàn)大用戶規(guī)模的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡?！秉S翊東指著一張錯綜復雜的網(wǎng)絡圖說，以前的量子密鑰分發(fā)實驗，多是點對點的?，F(xiàn)在使用量子芯片，可以實現(xiàn)很多個用戶中任意兩個之間的量子密鑰分發(fā)。一塊手機SIM卡大小的硅光量子光源的芯片，已經(jīng)可以實現(xiàn)40個用戶的全連接量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，單一量子光源支持的量子密鑰分發(fā)線路達到780個，創(chuàng)造了國際最好水平。“我們正打算在現(xiàn)實的光纖通信系統(tǒng)中進行場地實驗?！?/span>

       往前走幾步，不遠處的實驗臺上，擺著軌道角動量輻射芯片?！斑@是團隊老師馮雪的成果。”黃翊東指著顯微鏡下的芯片說，它有一個聽上去挺拗口的名字，馮雪賦予了這個芯片一個很形象的比喻——“在極其微小的分子級世界，利用軌道角動量構成一把光的‘鑷子’或者‘扳手’，去搬動分子?！?/span>

       黃翊東頓了頓，攤著手補了一句：“不過，這把‘鑷子’還沒找到合適的應用場景，從研發(fā)到實際應用，還要走很遠的路?！?/span>

       有多遠？面對追問，黃翊東回答，“真正的創(chuàng)新不是去迎合某種需求，而是創(chuàng)造需求。我們會不斷提升芯片的潛力，創(chuàng)造真正有意義的需求。”