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“有序结构——————共性、模型以及统一理论研究”前沿观潮
发布时间: 2010-05-24                    访问次数: 276

        1月13日下午,科技处主办的“有序结构”科技沙龙在逸夫科技馆多功能厅举行。
  沙龙由科技处张晓兵副处长主持,我校信息科学与工程学院、电子科学与工程学院、物理系、化学化工学院、材料科学与工程学院、生物科学与医学工程学院以及数学系的相关教授及学生出席。
  教育部长江学者、信息科学与工程学院院长尤肖虎教授首先为“科技沙龙”作了主题发言。他指出,有序结构是一个充满机遇和挑战的研究领域。信息技术中有序结构基础技术的发展和突破将完全改变社会的发展和科技界的发展。回顾历史,通信技术在过去四十年的飞速发展过程中取得了卓越的成果,为信息时代的发展做出了巨大的贡献,但是在基础技术方面的突破性进展并不多,比如现在的光通信、Internet协议、IT协议、卫星通信的基本原理都来自上世纪七十年代。信息系统要取得革命性的进展,必须依赖于基础技术的提升,包括器件性能的提升。例如,香农信息论给出了单输入单输出系统(SISO)的信道容量,而现在的多输入多输出系统的信道容量已经远超过SISO,尽管代价是昂贵的,成本成百上千倍地提高。因此,系统的复杂度、可实现性、以及实现成本和功耗等都与器件密切相关。近年来,基础技术的研究也有了一定的进展。在器件发展方面,目前的器件已经发展到纳米量级,很多物理现象很难用传统的理论或方法解释,微观的统一是未来的必然发展趋势。英国科学家已经可以将晶体管做到数个原子的厚度,远远小于现在的商用器件厚度。在超导技术方面,无线电通信的接收灵敏度长期以来难以提高。但是超导研究方面的可喜进展,为接收灵敏度的提高提供了一条可行途径。目前,美国科学家正在研究超导接收机,一旦研制成功,其灵敏度可以达到地球磁场的一个量级以下,无线通信也将迈入更新的发展阶段。在场的研究方面,以硅为基础的集成电路保持了几十年的发展,最近出现了瓶颈,有人认为信息技术的发展已经止步,摩尔定律难以维持。实际上并非如此,例如金属和硅结合的高K电极解决了栅级漏电的问题,使半导体集成电路沿着摩尔定律的发展至少可持续十年。虽然这些基础技术离实际应用还有一段距离,但是一旦取得突破,信息技术的发展会获得巨大的飞跃。
  电子科学与工程学院杨春教授介绍了光学耦合谐振腔方面的研究工作。串联耦合谐振腔由一维相互耦合的光学谐振腔构成,具有可灵活设计、性能优异的通带特性,并能够显著降低光的群速度,可以用于高性能的滤波器、低相位噪声本振源和时钟源、低阈值激光器、非线性光学器件、光冻结、光延迟与光存储。周期性结构的耦合谐振腔是目前的研究热点,但不具有严格周期性但仍有一定有序性的耦合谐振腔是一个重要方向。他重点介绍了耦合谐振腔的理论研究方法,指出周期结构的耦合谐振腔可以用傅立叶分析等方法进行研究,但非周期性耦合谐振腔和准周期性耦合谐振腔的研究尚缺乏一般性的理论。杨春教授又介绍了其他学科的类似结构和理论问题。目前,人类已能够在原子、分子直至宏观的尺度上形成人工有序结构,从而获得自然材料和系统所不具有的特殊功能。人工有序结构的研究在材料、生物、电子、光学、机械等学科中越来越受到重视。在不同学科中,有序结构中的耦合机制有可能不同,但结构的共同特征有可能存在统一的规律,因此探索有序结构的一般理论的研究是有实际意义的。
  教育部长江学者、毫米波国家重点实验室主任洪伟教授结合他的研究工作介绍了微波领域中的有序结构。自然界中存在大量的周期性结构,堪称鬼斧神工。这些天然的有序结构在各个基础研究领域都受到了极大的重视。同时为了获得某些特殊的功能,人类大量制造和应用人工周期性结构。微波领域中人工周期性结构的应用比比皆是,如相控阵雷达、频率选择表面(FSS)、基片集成类导波结构、表面等离子体波导、光子带隙结构/电磁带隙结构(PBG/EBG)、左手材料、阵列成像系统和整流天线阵列等等。周期阵列在射电天文中有着重要的应用前景。中国德林哈13.7米毫米波望远镜及在研制的9像元毫米波接收机阵都采用了有序的结构。最后,他还对学校的科研管理和考核机制提出了建议,在促进研究成果数量增长同时,也能包容长周期高质量科研的存在。
  信息科学与工程学院教育部长江学者崔铁军教授在此次的科技沙龙中讲述的主题是超材料(Metamaterials)的设计与应用。周期结构作为一种非常典型的有序结构,其理论、分析方法和应用都比较成熟。而某些非周期结构也是有序的。非周期结构作为一种有序结构,在此研究领域有两个典型问题:一是如何设计非周期结构,实现奇特功能;二是如何实现这种结构。我们知道,自然界中真实存在的材料以原子或者分子为基本单元,这种材料很难通过人工控制来改变其属性。电磁材料可以用两个参数来描述———介电常数ε和磁导率μ。自然界提供的材料ε和μ值都为正,在ε和μ构成的二维空间处于第一象限中的很小一部分。超材料的出现使人们可以按照需求任意设计ε、μ的值。所谓“超材料”是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计,可以突破某些表观自然规律的限制,从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。由于超材料的基本组成单元大小是工作波长的十分之一,从波的角度可以等效为一种宏观的材质。迄今发展出的“超材料”还包括“左手材料”、“光子晶体”、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料(对电磁波的传播形成负的折射率)。超材料能够被用来制造各种各样的隐形装置,如“隐形大衣”,这些装置能使物体周围的电磁波绕道而行,使物体变得不可见。“隐形大衣”的设计成功,更重要的意义在于提出了变换光学理论,回答了前述的第一个问题,为电磁超材料的设计提供了理论基础。崔教授还介绍了提高天线增益的超材料透镜、幻觉光器件和“电磁黑洞”。目前他们正致力于设计出更多具有特殊功能的超材料,并将其应用于实践。
  电子科学与工程学院的孙小菡教授介绍了基于光子带隙技术的全隐身战士技术、纸状显示技术、电磁带隙回旋行波管和高反射背板的国内外发展情况。光子带隙是基于光波长尺度的有序结构实现的,也称为光子晶体。孙教授还介绍了他们在光子晶体波导数值计算方法方面的研究工作。有序结构的思想还被她引入光网络结构,用于网络的动态资源配置。
  电子科学与工程学院的张彤教授介绍了有序结构与表面等离激元(SPPs)器件。表面等离子体是由外部电磁场与金属表面自由电子相互作用形成的一种相干共振,除具有巨大的局部场增强效应外,还具有将激发电磁场能量限制在纳米尺度范围的特点。SPPs广泛用于LR波导功能器件、纳米波导传输线、高分辨率的成像技术、人工左手材料等领域。表面等离激元波导与传统光波导相比,表现出间断的有序纳米点阵结构,利用该结构可以实现传统的光波导器件和突破衍射极限的纳米光波导器件的互联。此外,张教授正在研究的球形超级透镜,可以使光学显微镜突破光波波长的限制,在生物应用等领域有着很广泛的应用前景,如蛋白质、病毒和DNA分析等。
  电子科学与工程学院特聘外籍教授张雄老师介绍了蓝光半导体发光二极管(LED)方面的前沿工作。早在“光子晶体”、“超材料”这些名词产生之前,1970年代末诞生的半导体发光器件中的超晶格就是一种电子波长尺度的人工周期材料,也是人类首次通过控制材料的有序结构来获得自然材料所没有的新能带。张教授还介绍了蓝光LED对能源的深远影响和巨大的市场前景。
  电子科学与工程学院的徐春祥教授做了题为“纳米结构氧化锌中的回音壁模激光”的报告。纳米氧化锌中光电特性的研究是国际热点研究领域。基于全反射约束机制的回音壁模激光由于高品质因子等优点受到广泛重视。不同尺度微腔的激光特性不同,由于微腔中相邻回音壁模式间隔远小于增益介质的增益谱,可以得到超低阈值的微腔激光器。
  化学化工学院的长江学者、有序物质科学研究中心的熊仁根教授在本次科技沙龙上以幽默诙谐、通俗易懂的语言讲述了高性能铁电材料。高性能的分子基铁电材料是一类具有广泛应用前景的功能材料,近年来,由于新铁电材料薄膜工艺的发展、铁电材料在信息存储、图像显示和全息照像中的编页器、铁电光阀阵列作全息照像的存储等方面具有广泛的应用。
  数学系的刘继军教授从数学的角度讲述如何利用数学工具快速有效的解决各个学科研究中遇到的计算问题,指出数学计算已经成为与理论研究和实验研究并列的第三种研究手段。科学计算与应用学科交叉是现代潮流,同时也是国家的政策导向。现代科学问题的特点是多变量、大尺度、不适定、实时性,而解决这类问题的可能途径是将强大的计算硬件和有效的数值方法相结合。
  科技处张晓兵副处长在最后的总结发言中鼓励相关研究团队在更高的理论层次上探索有序结构的内在规律,寻求凝聚众多团队的共同研究点。本次沙龙使大家了解到我校在人工电磁材料、光子晶体、纳米光电材料及分子有序结构方面的丰硕研究成果,将对我校在有序结构有关方面的研究带来显著的促进作用。(李鸿伟 王丽娟 冯雪丰)