编 者 按
人 物 简介
「受访者」：帕夫洛斯·萨维迪斯教授（西湖大学）
「采访者」：王勣（西湖大学）
「原文信息」：Wang, J. From West to East: Professor Pavlos Savvidis’ Quest for Light. Light Sci Appl 13, 269 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01616-w
Q：您能谈一谈自己的故乡吗？请问是什么激励您成为物理学家，是谁对您的职业生涯产生了最重要的影响？
1981年暑假，帕夫洛斯·萨维迪斯和父亲在格鲁吉亚的伊拉加合影
Q：您在南安普顿大学攻读博士学位期间发明了第一个激子—极化激元放大器。您可否解释一下它的意义和应用？
A：多年来，全球的研究人员一直在寻找激子的玻色—爱因斯坦凝聚的证据，而这项工作非常困难。激子是半导体中由库仑力束缚着的电子—空穴对。2000年在我开始做博士研究工作时，就已经有好几个理论预测了一种叫做“极化激元”的凝聚，极化激元是一种与光子杂化的准粒子。据理论预测，通过给激子“穿上”光子的“外衣”，可以抑制准粒子之间的相互散射，从而可能在低温时实现极化激元的宏观凝聚，甚至在温度升高时，该凝聚仍然存在。
我在南安普顿大学攻读博士学位期间所做的实验表明，极化激元确实表现为玻色子，在系统的基态中通过受激散射而聚集，这揭示了它们的玻色特性。在我们发现这一基本过程时，相位匹配条件会导致灵敏的角度选择性，于是我们将这一效应命名为“魔角放大”。事实上，这种极化激元的玻色放大效应，如今已被科学界广泛应用，并催生了一系列令人兴奋且非同寻常的现象，如凝聚、超流、孤子传播、极化激元激光以及拓扑光子学等。同时，它也在神经形态计算、量子计算、超快开关和单光子门控等领域，推动了众多应用。
Q： 请问您在剑桥大学卡文迪许实验室担任访问教授期间，参与过哪些重要的光学项目研究呢？
A：英国著名诗人亚历山大·蒲柏为英国杰出的物理学家艾萨克·牛顿撰写了墓志铭，其中写道：
万古如长夜；
上帝说：“让牛顿来”，
于是，就有了光。
牛顿在剑桥大学期间，对光学领域做出了重大贡献。牛顿在光学方面最著名的著作是《光学》，该书于1704年首次出版。
我很荣幸能追随牛顿的脚步，并在2014年获得了享有盛誉的利弗休姆基金资助，担任剑桥大学的访问教授，在卡文迪许实验室的杰里米·鲍姆伯格教授小组里访问了1年。当时，我在原学校克里特大学，刚刚开发出超高质量分子束外延生长的半导体微腔结构。在微腔平面上，极化激元的传播距离，可以超过数百微米。这一发展使得一系列的新实验成为可能，例如，在激光激发点附近形成了激子团，这里的噪声比较大，而极化激元的凝聚则可以在远离激发点的区域发生。极化激元凝聚体与激子团的空间分离，让我们得以观察到其超高的时间相干性，并能实施单模操作。这种相干性超过了广泛使用的氦氖激光器的相干性。在需要高相干激光器的应用方面，这些凝聚体具有潜在的价值。
此外，这一进展还促使极化激元凝聚体实现自发磁化和自旋极化。我们能够大规模构建具有可控铁磁或反铁磁相互作用的自旋极化激元凝聚体阵列，这为实现伊辛哈密顿量提供了可能，有助于解决实际的优化问题。由于在极化激元中激子成分之间的相互作用非常强烈，极化激元凝聚体可以表现出显著的非线性效应。因此，仅需非常微弱的光信号，包含少量光子，或亚飞焦耳量级的电脉冲，就能实现凝聚体不同自旋状态之间的电光切换。
帕夫洛斯·萨维迪斯教授泛舟康河
Q：您在世界顶级期刊《自然》上发表了题为《近室温条件下工作的砷化镓极化激元发光二极管》的论文。您能详细介绍一下该论文所探讨的技术，特别是它在创新照明解决方案或光通信方面的潜在应用吗？
A：当极化激元首次被观察到时，人们普遍认为它们只能在极低的温度和密度下保持稳定。现代大多数半导体发光二极管和激光器，可以在接近室温的条件下工作，并采用高电流密度注入二极管。极化激元面临着巨大的挑战，因为在不利条件下，其组成部分——激子往往会分离成电子—空穴等离子体。出乎意料的是，我们在《自然》上发表的研究结果表明，基于技术上成熟的砷化镓半导体的微腔发光二极管，即使在接近室温和存在电流注入的条件下，仍然能够维持发射极化激元。
这一成果得益于光子在微腔内对激子进行了修饰，从而抑制了它们的相互散射，防止了它们分解成电子—空穴对。其他研究团队后续的实验也展示了利用电注入技术，来实现极化激元激光效应的潜力。这种创新的激光机制不依赖于传统的粒子数反转来实现光放大。相反地，它依靠受激散射和极化激元在基态的宏观凝聚，从而产生类似激光的相干光。这些器件的凝聚或激光发射阈值，比传统激光降低了两个数量级，因此非常适合超低功耗应用。这是近年来半导体器件研究在降低功耗方面的重大突破，而以往的进步主要集中在缩小尺寸和提升效率上。
帕夫洛斯·萨维迪斯教授与人合作的研究论文在《科学》杂志上发表
Q：请问是什么让您决定来到中国的杭州继续自己的光学研究？这座城市和人民给您留下什么样的印象呢？
A：大约十年前，我第一次来到中国杭州，是参加一个关于半导体中光与物质相互作用的国际会议。在这次活动中，我们首次展示了关于室温极化激元的研究成果。该成果刚刚在《自然》杂志上发表。在火车站，我受到了我以前的博士生（现为天津大学的助理教授）的热烈欢迎，他向我介绍了这座城市。从那一刻起，我立刻感受到当地人对游客的热情与好客。在风景秀丽的西湖边漫步时，我偶然发现了马可·波罗的雕像。马可·波罗是最早抵达中国的欧洲人之一，他对13世纪中国贸易和生活准确而独特的描述，为我们认识杭州提供了宝贵的视角。
如今我已迁居杭州，并在这里建立了光学的尖端实验室。我的旅行类似于马可·波罗的探险之旅，他为这个地方的丰富文化和技术奇迹所吸引。马可·波罗的探险是出于对知识和贸易的追求，而我的使命则植根于推动科学前沿的进步和促进全球的合作。我们都体现了探索发现的不朽精神，尽管我们的追求在性质上有所不同——一个是沿着古代贸易路线的探险，而另一个则在当代研究框架内揭示光的物理奥秘。我们相似的故事突显了杭州作为智力和文化交流中心的永恒魅力。
Q：自从加入西湖大学理学院以来，您在光学实验研究方面取得了哪些进展？您希望实现的主要目标是什么？
A：西湖大学是一所蓬勃发展的创新型研究和教育中心。我很高兴能在这所年轻的大学开启一段充满希望的迷人旅程。在过去的十年里，极化激元领域见证了一系列令人振奋的发展，突显了这些系统在各种先进应用中的巨大潜力。在西湖大学新创建的实验室里，我们研究的一个主要方向是利用极化激元，实现量子比特并探索新型量子计算平台，其中涉及极化激元的量子化环流。该系统依赖于超流体中涡旋的形成，由于环流的量子化，超流环路的相位积累只能取离散值。类似的原理也适用于基于约瑟夫森结的磁通或相位超导量子比特。
我们目前取得的最新进展是成功获得了极化激元凝聚体的超长相干时间。这种扩展的相干性对于量子信息处理和模拟至关重要，能够确保量子态维持更长时间，从而提高量子计算和模拟的可靠性和精度。此外，极化激元系统易于寻址，极大地简化了它们与量子器件的集成。这种简便的解决方案源于极化激元半光半物质的自然属性，使得它们可以通过光学和电子手段进行操作。这种双重控制能力为设计和实现复杂的量子模拟提供了一个通用工具包。
我们的研究还侧重于在极化激元凝聚体中生成和操纵各种量子态，包括涡旋态、孤子和其他非平凡拓扑激发态。这些态对于探索新的量子现象和开发新的量子技术至关重要。极化激元系统的可扩展性，进一步增强了它们作为量子模拟平台的吸引力。
我们还开创了一种新技术，通过高精度氦离子注入，生成任意势阱来操纵极化激元凝聚体。这种技术使我们能够对极化激元凝聚体进行纳米级图案化制备。这些制造技术的进步，让极化激元凝聚体的大规模阵列成为可能，并能精准控制它们之间的相互作用。这种可扩展性对于模拟更大规模、更复杂的量子系统至关重要，可为研究新奇物理现象提供新的视角。
帕夫洛斯·萨维迪斯教授在西湖大学创建的量子光电子实验室
Q：您曾是希腊克里特大学材料科学与技术系的教授，现在是中国西湖大学理学院的教授。从希腊到中国，你认为这两大古老的文明在物理学过去、现在和将来的发展中扮演了什么角色？
A：希腊和中国，这两大文明对物理学的发展做出了重要贡献，他们对科学研究和教育的重视，具有悠久的传统。古希腊人，包括亚里士多德、阿基米德和欧几里得等哲学家，奠定了力学、光学和流体静力学的基础原理，培养了一种探索精神，塑造了西方科学思想，并为后来的科学革命奠定了基础。他们强调经验观察和逻辑推理，这构成了科学方法的基石。同样地，中国学者，例如墨子、张衡和沈括，也展现了东方人对复杂科学的探究。墨子是一位生活在中国古代战国时期的哲学家和科学家，以他在光学和光学仪器领域的研究而闻名。墨子提出了“光学八条”，包括小孔成像原理，即光线通过小孔在其对面形成倒置和放大的图像。他的理论为光学研究、光学仪器之后的发展提供了基础，对后世的科学家和工程师产生了深远影响。张衡发明地震仪，沈括在磁学、天文学领域方面的洞察力，也体现了中国科学的创新精神。
在这两种文化中，教育的价值至关重要，它们都强调培养年轻人的重要性。在希腊，严谨的学术训练的传统可以追溯到柏拉图学园和亚里士多德的吕克昂学园，那里鼓励批判性思维和哲学辩论，影响了无数代学者。而中国的儒家文化源远流长，强调学习和才华。长久以来，中国一直重视教育，尤其在激烈竞争的科举考试中体现明显，强调“学而优则仕”的理念。
今天，这两个国家都意识到培养新一代思想家对未来物理学及其它领域的进步至关重要，都继续加大了教育投资的力度。在希腊，现代教育体系注重建立坚实的数学和科学基础，鼓励学生从事研究和技术领域的职业。另一方面，中国迅速扩大了她的教育基础设施，重点关注科学、技术、工程和数学学科，培养了大批为全球科学界做出贡献的毕业生。希腊和中国对教育的共同重视，确保了它们将以各自丰富的科学遗产为基础，继续推动21世纪的创新和发现。
北京成立的“中国—希腊文物保护技术‘一带一路’联合实验室”，标志着希腊和中国合作的一个重要里程碑，该实验室将团结两大古老文明，共同致力于保护和研究它们丰富的文化遗产。这一举措推动了希腊和中国专家的密切合作，他们分享考古学和文物保护方面的知识和技术，特别重视光学方法在文化遗产保护中的应用。该实验室成为联合项目研究、展览和教育计划的中心，突显出这两种历史悠久的文化之间的共通之处以及它们对人类文明的贡献。该实验室将希腊在保护古文物方面的丰富经验和中国先进的技术能力相融合，致力于开发保护文物的创新方法，从而推动文化之间的交流。这种合作不仅深化了对彼此历史文化遗产的理解，还增强了两国社群之间的纽带，彰显了共同追求福祉的责任与担当。希腊和中国的合作努力，展示了国际合作在保护子孙后代文化遗产方面的力量。
Q：在西湖大学的咖啡吧，您曾经将制作咖啡比作进行实验。请问冲泡或饮用咖啡是如何影响您的研究方法和科学哲学的？
A：对许多人来说，喝咖啡只是保持清醒和充沛精力的一种方式。对一些人来说，咖啡有令人愉悦的香气和口感，喝咖啡提供了与他人交流的机会。对于实验物理学家来说，制作咖啡的过程很重要，相信我，这个过程相当复杂，好比任何一个好的实验，它涉及多个因素的完美结合，细致把控这些因素，才能取得出色的结果。
对我而言，冲泡咖啡不仅是一种教授精细实验方法，并强调细节重要性的方式，它还带来了享受完美结果的满足感，这种满足感与精心策划、细致执行实验所带来的感受如出一辙。
科学家能多快地摒弃错误的观念和方法，最终决定了他们解决问题或揭示真相的速度。在错综复杂的科学发现过程中，迅速放弃无效方法或错误概念的能力往往至关重要。这种持之以恒、勤奋努力、小心谨慎和善于调整的方法是科学实践成功的关键，对于取得突破性发现至关重要。
帕夫洛斯·萨维迪斯教授在西湖大学云栖校区喝咖啡
Q：在中国工作期间，您是如何平衡工作和生活的？
A：从地中海的生活方式转变到中国的生活方式绝非易事。然而，在适应这种新的生活方式的过程中，发现新的美食之旅对我来说，确实是一次诱人的体验。在这段时间里，我发现了自己的烹饪潜能。我的这种发现与自己的实验背景密不可分。我的厨房已成为秘密实验室，在这里，我不断摸索新的烹饪方法和技巧。
这种烹饪实验重新点燃了我的热情，让我重新投入到亲自动手和创造性过程中，让我在研究、行政事务不断增压的情况下，仍能保持一种探索和创新的精神。正如最初吸引我进入科学领域的实验工作一样，烹饪让我重新体验了探索和发现的乐趣，并且获得创造新事物的成就感。
Q：您认为伟大的科学家具备哪些品质？您能给年轻的学生和有抱负的科学家一些建议吗？
在我的科学生涯中，也许最大的满足感是见证了年轻科学家加入我的团队后，真正发生了改变。当他们找到动力，真正释放出潜力，并最终在事业上获得成功时，这种回报是巨大的。看到他人在不断成长，从中获得的满足感，往往超越了在顶级期刊上发表高质量科学成果所带来的成就感。我给学生的建议，当然是要深入探究我们在组会上讨论和设计的想法。作为实验者，还要时刻关注一些不同寻常和意料之外的现象，这样做往往会有重大的新发现。
帕夫洛斯·萨维迪斯教授在西湖大学主持讲座
Q：您如何看待过去十年中国光学科学研究的进展？您认为中国和国际研究人员之间未来有哪些潜在的合作机会？
A：显而易见，过去十年里，中国投入巨资建设光学的高精尖研究中心，充分利用国内和归国研究人员巨大的人才潜能——他们在尖端技术领域拥有专业技能。中国鼓励年轻的研究人员独立开展研究项目，并为科学基础设施和仪器设备提供了大量的资金支持。与全球注重产出和研究数量的趋势不同，中国强调基础性、开放性研究，解决关键跨学科领域的重大科学技术挑战，例如量子计算和量子信息科学、生物医学研究以及先进材料和纳米技术。
此外，来自世界各地的越来越多的同行访问中国，吸引他们的是日益增多的机会，以及中国高校发起的国际合作。一些举措，例如将英语作为交流和教学的可行媒介，极大地提升了中国学术机构对国际学者的吸引力。在我们的团队中，我们定期接待外国研究人员的交流访问，为项目合作提供了良好的契机。中国大学最先进的设施和丰富的专业知识，往往是发起此类合作倡议的关键性推动因素。
帕夫洛斯·萨维迪斯教授和西湖大学另一位希腊裔教授乘船游览杭州的钱塘江
■ 参考文献
王勣：西湖大学理学院翻译、审校，翻译《透视教育时尚》（外语教学与研究出版社）、审校《光子之舞》（中信出版集团）等书。
监制：白雨虹
编辑：赵阳
