【FOP青年编委风采】江天研究员 | 厚积薄发、守正创新，服务国家需求开展前沿基础研究

江天，国防科技大学研究员，博士生导师，入选国家级青年人才，173基础加强项目首席，获中国科协“青年人才托举工程”和军委科技委国防科技“卓越青年基金”资助。长期从事超快光谱检测（飞秒瞬态光谱和太赫兹瞬态光谱）、微波光子、红外太赫兹功能器件以及超快自旋电子学方向的研究。近年来以第一或通讯作者在Nature Commun.、Light: Sci. & Appl.等学术期刊发表论文50余篇，包括4篇ESI前1%和1篇ESI前1‰高被引论文；获授权13项国家发明专利和国防专利；出版中文专著1部；获国家科技进步二等奖1项，军队科技进步一、二等奖各1项（均排名第2）。

01

服务国家战略需求，推动基础研究落地生根
国防科技大学的科研特色是开展以应用需求牵引的前沿研究和以基础研究支撑的系统研制。学校“天河”“北斗”等一系列创新成果的出现都离不开自主创新。变革性技术主要还是来源于前沿基础研究，特别是新机理、新材料和新器件的发现，我把自己定位为学校的“小白鼠”，任务和使命就是围绕着学校优势学科未来的需要开展前期探索研究，推动基础研究落地生根，服务于学校急需的系统研制工作。从重大战略需求中提炼技术难题，把技术难题上升为科学问题，以应用需求引导基础攻关，以基础研究催生知识发现，带动基础学科布局和建设，是当代科技工作者应当掌握的科研范式。从国家急迫需要和长远需求出发，结合个人科研背景，我将科研重心定位在了信息光电子领域，融合国防科技大学光学工程、计算机科学与技术、电子科学与技术等领域的师资力量，组建了光电子信息材料和器件研究团队-“认知光子学”研究团队，聚焦智能微波光子、超快光谱感知和太赫兹光谱感知的基础理论、方法与技术，发展新型感知、计算器件，为未来高性能信息探测与感知系统提供自主可控关键器件，构建高效、鲁棒的感知能力。我们开展这方面研究的主要优势在于已经建立了从材料生长与表征到器件设计与制备以及超快光学测试的全链条研究体系，这是我们在这个方面独有的特色，希望我们的工作能够为未来信息器件选择提供更多可能性。
图1 江天研究员在信息光子领域的主要研究方向

02

应用引导知识发现，找准原始创新源头起点
目前，新型光电材料不断涌现，为高性能光电探测器件的设计和制备提供了新的机遇，如何认知其中蕴含的物理机制实现光电性能主动调控是新型功能性光电材料走向实际应用的一大挑战。针对以上问题，我们自主搭建了超高真空分子束外延生长和角分辨光电子能谱联合系统，能够生长系列的光电材料并进行原位表征；同时搭建了超快光谱测试系统，可以对超短脉冲激光与光电材料相互作用进行细致的探索。我们以先进的显微激光光谱探测技术为基础，一方面探索新型光电材料内部光子-电子-声子之间相互作用等基础物理问题，另一方面探索实现光电探测主动调控的物理机制，研制多功能新型探测器件。我们利用飞秒显微光谱探测技术，首次观测并阐明了石墨烯-WS₂异质结在波段外激光激发下的声学声子回收效应与机制。这种声子回收机制能够有助于石墨烯-过渡金属硫化物异质结实现高效率光电探测[Nature Commun. 11, 3876 (2020)]。利用自主搭建的瞬态吸收显微镜研究了WS₂中载流子的输运现象，对相应能量位置下的热载流子和激子的输运过程进行了一维和二维成像，明确了不同时间尺度和能量状态下激发态的热载流子和激子成分比例，阐明了WS₂中热载流子-激子的级联扩散现象和物理机制[Adv. Sci. 9, 2105746 (2022)]。利用飞秒泵浦探测技术、飞秒荧光上转换技术、飞秒光泵浦-太赫兹探测技术等多种超快光谱测量手段，详细研究和分析2D/3D混合钙钛矿中层间耦合相互作用机制和层间电荷转移的超快动力学过程，阐明了2D/3D混合钙钛矿中电子和空穴完全不同的层间转移机制，为通过主动操控实现净能量转移和净电荷转移提供了可行方案[Laser & Photon. Rev. 12(10), 1800128 (2018)]。同时，我们还系统地研究了室温下等离激元激子极化激元的超快非线性光学响应，并从实验上证实了激发光诱导的激子退相作用是这类特殊极化激元粒子间发生相互作用的主要物理机制[Light: Sci. & Appl. 11, 94 (2022)]。除此之外，围绕光控太赫兹多功能超快调制的实现，我们开展了半导体复合超表面调制机理和器件研究工作，具体包括超快振幅调谐[Nano Energy 68, 104280 (2020); ACS Photon. 8, 771 (2021)]；超快共振频率调谐[Adv. Opt. Mater. 7, 1970084 (2019); Laser & Photon. Rev. 14, 1900338 (2020)]; 瞬态响应时间调谐[Adv. Sci. 7, 2000799 (2020)]以及可编程记忆态超快调制[Laser & Photon. Rev. 15, 2000456 (2021)]。在此基础上，我们构建了基于铁磁体/重金属/拓扑绝缘体（FM/HM/TI）异质结，展示了Rashba态增强的自旋电子太赫兹发射器的新颖概念[Nano Lett. 21, 1 (2021)]。

03

基础催生成果应用，筑牢学科交叉根基本源
在科研工作中，我遇到的最大挑战就是多学科交叉。将基础研究的成果应用于系统研制是单一学科难以完成的任务，对于某些关键系统研制，我们团队从材料生长、器件制备、系统构建甚至智能算法都要自主完成，这个挑战是非常大的。如何让前沿基础研究实实在在服务于系统研制的关键在于使得不同学科的科研人员具有统一的语言，团结在一起围绕一件事形成合力。寻找和构建多学科交叉的融合点概念，形成需求生成链与基础研究链的良性互动，就有望架起应用需求与基础创新之间的桥梁，筑牢多学科交叉融合的根基本源。我们团队在光学频率梳、光学滤波器、片上调制器等核心关键器件研发和新体制感知系统研制方面取得一定突破，应邀发表多篇综述。我们对硅基光电子-二维材料异质结构的最新进展及其在片上光通信系统中的应用进行了全面的分析和总结，阐述了二维材料主动调控器件的基本物理机制，讨论了硅基光电子-二维材料异质结构用于片上光通信系统的关键模块，包括激光器、光调制器、开关、滤波器、光电探测器和集成光子电路等，提出了异质结构在高速光通信、中红外波段通信、全光处理网络、集成量子光学等领域的未来展望及面临的主要挑战[Laser & Photon. Rev. 14, 2000239 (2020)]。另外，我们回顾梳理了二维材料的制备方法和与光纤激光器相适应的耦合封装形式，随后以不同类型二维材料首次应用到锁模光纤激光器的时间为切入点，总结了以短脉冲、高重频、高稳定性指标为主要代表的高性能超快锁模激光的研究进展，分析了微波光子学、信息光学等领域对激光波段拓展、谐振腔优化设计、重复频率提高的应用需求，现已被列为ESI 前1‰Highly Cited Paper和Hot Paper [Photon. Res. 8(1), 01000078 (2020)]。

04

厚积薄发、守正创新，投身光子集成技术研究
科研之路道阻且长，我们坚持把服务国家作为最高追求，将“有组织科研”作为鲜明导向，矢志围绕信息光电子关键技术开展基础性、前瞻性研究，继续推进以应用需求牵引的前沿研究和以基础研究支撑的系统研制之间的深度融合。我目前最希望看到光集成技术能够尽快取得突破，这样能够将在新型器件和光频梳光源方面的技术优势尽快转化为系统优势，在电磁信号处理方面做一些实用的装置，服务国家战略需求。自主创新惟靠矢志不渝，攻坚克难惟靠厚积薄发，我们的基础研究将瞄准光集成领域前沿科学问题，在攻克“卡脖子”问题的基础理论和关键技术上下功夫，绵绵用力，久久为功，为国家光学领域的发展尽一份绵薄之力。

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编辑：黄琦

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