——记香港中文大学物理系助理教授薛昊冉

杨 洁  吕腾波　文卓君　

　　从纳米级光芯片至毫米级微波雷达，电磁波在各尖端科技中均扮演举足轻重的角色。科技进步催生了对更高效稳定、功能更繁复的电磁波器件的迫切需求。然而，传统器件在面对系统瑕疵、杂质及参数偏差时，难免效率下滑、信号动摇、能量耗损，成为性能提升的绊脚石。

　　近年崭露头角的拓扑电磁学，为这一难题提供了别开生面的解决之道。香港中文大学物理系助理教授薛昊冉深耕于拓扑光子学、拓扑声学及非厄米物理学，是这一领域成就斐然的青年科学家。其科研历程与科研成果不仅见证，更深度融入了这一学科的蓬勃发展。

从材料物理到拓扑物理    

　　薛昊冉的科研之路缘起于2012年秋天。

　　那一年，迎着飘落的梧桐叶，18岁的薛昊冉踏进了南京大学的校门，开启了材料物理专业的探索之旅。材料物理，这个当时颇具新意的学科方向，既蕴含着物理学科的深邃光芒，又闪耀着材料学科的瑰丽之美。

　　本科期间，薛昊冉在物理与材料的交织世界中游走，感受着科学的魅力。时光荏苒，转眼到了2016年，他顺利获得学士学位，并开始为出国留学做准备。机缘巧合之下，他选择去新加坡开启一段崭新的旅程。

　　“原本计划2016年上半年毕业，下半年便赴新加坡开始新的学习生活，然而世事难料，我晚半年才踏入新加坡的校园。当时，新加坡的一位老师在南京大学论坛发布了招生信息，恰巧被我看见，于是便毅然决然地报了名。由于申请时间较晚，我的入学时间也随之推迟了半年。”薛昊冉回忆道。然而，正是这段意外的延迟，让他有幸遇见了南洋理工大学拓扑光子学与拓扑声学这一新兴领域的曙光。

　　面对全新的专业领域，薛昊冉坦言自己当初是凭直觉做出的选择。那个看似“很物理”、听起来高端且与数学紧密相连的专业方向，像一块磁铁深深吸引了他。幸运的是，初到南洋理工大学的他，恰逢拓扑光子学与拓普声学领域的初创阶段。他如同一位拓荒者，有幸参与了这些新兴领域的早期耕耘。

　　“起初，我跟随师兄们的脚步，在这个刚刚起步的领域里摸索前行。竞争如同战场上的硝烟，无处不在，压力也随之而来。”薛昊冉介绍，“披星戴月”成了他那段时光的常态——每周七日无休，与时间赛跑赶末班车，“那时，我对学校末班车的时间了如指掌，总是掐着点赶上回家的车”。这样的生活节奏持续了两年之久，随着知识的积累和技能的提升，他逐渐适应了这种快节奏的生活。

　　当时，拓扑声学这个概念刚刚崭露头角，一些人对其持怀疑态度。然而，薛昊冉却坚定地走在探索的道路上，不断完善这一领域的理论基石。他的努力得到了领域内外的认可，并取得了一系列重要的科研成果。

　　2021年对于薛昊冉而言是硕果累累的一年。他凭借卓越的研究成就摘得了南洋理工大学研究卓越奖和材料研究学会物理学奖章的桂冠。同年，他博士毕业并留校担任研究员之职。此时他所深耕的拓扑领域也已逐渐枝繁叶茂起来。

　　2023年10月，机缘巧合下，薛昊冉再次扬帆起航，回国工作并担任香港中文大学物理系助理教授，继续深耕拓扑和非厄米物理学领域的研究工作。他的名字频频出现在《自然》《自然·物理》《自然·材料》《自然评论材料》《自然评论物理学》《自然·通讯》《物理评论快报》等同行评审期刊上。50余篇论文，超过4000次的总引用量……作为一名年轻有为的学者，他的成果令人瞩目。

　　如今，作为一位年轻的学者，薛昊冉把足迹刻在学术前沿，为拓扑物理学的发展贡献着自己的力量。正如他所说，这个领域宛如桥梁，连接着理论与应用的两岸。它既非深奥至极的基础物理——如粒子物理那般精深莫测；亦非纯粹的应用科学，直接服务于日常。它巧妙地运用繁复的数学工具，构建出光与声的奇妙现象，犹如在知识的海洋中架起一座桥梁，承前启后，继往开来。

　　“目前，我们正通过一系列简洁而精妙的实验，验证这一领域的可行性。每一次成功的实验，都如同在这座桥梁上添砖加瓦，为未来的广泛应用奠定坚实的基础。简而言之，我们正致力于将复杂的理论转化为实际应用，让科技之光照亮未来的道路。”薛昊冉表示。

从跟随热点到创造热点

　　一路走来，薛昊冉得益于众多师长的悉心指导。在新加坡求学期间，他有幸遇到两位杰出的导师。

　　一位是张柏乐老师，他的教学方式颇具“无为而治”的风范。张老师从不拘泥于琐碎细节，也从不限制学生的自由。他鼓励学生自主探索，发掘自身兴趣所在。正是这种宽松的环境，让薛昊冉能够如鱼得水，广泛涉猎，不断拓宽知识边界。

　　另一位则是副导师庄一东（Chong Yidong）先生，他年轻有为，是科研领域的璀璨明星，也是拓普光子学的先驱之一。他给予薛昊冉的，更多是科研思路上的启迪。薛昊冉博士二年级时在《自然·材料》杂志上发表了一篇佳作，引起了广泛关注。当他兴致勃勃地与庄老师分享这一喜讯时，老师却提醒他：“好的开始是成功的一半，但要想走得更远，就不能止步于跟随热点。”这番话让薛昊冉醍醐灌顶，他意识到原创性才是科研的真谛。从此，他更加坚定地投身于开拓性的研究中，力求成为创造热点的领军人。

　　如今，薛昊冉自己也成为一名老师，来到香港中文大学的第一年，他便招募了3位博士与1位博士后，组建了一支5人的团队。作为拓扑科研领域冉冉升起的一颗新星，他带领课题组稳步前行。在研究方向上，团队既保持独特性又注重交叉融合，以确保每位成员都能独当一面，同时又能携手共进。“团队成员间年龄差距不大，彼此关系融洽。我既是他们的导师，也是他们的朋友。平日里，我们的交流沟通轻松自如。”薛昊冉表示。

　　融洽的师生关系，在合作研究上得到了另一种意义深远的延续。薛昊冉和导师间的和谐互动，为合作研究注入了新的活力，并结出了丰硕的成果。

　　近日，薛昊冉带领课题组与张柏乐教授课题组合作攻关的项目，在非厄米光学研究领域取得了显著进展。他们利用合成维度的光子晶体，成功证明了狄拉克质量可由光学增益和损耗产生。薛昊冉作为共同第一作者，已将这一成果发表在国际期刊《自然》上。

　　这项研究突破了传统物理学对质量的理解，不仅揭示了狄拉克质量可通过非厄米机制调控，而且为未来的科学研究开辟了新方向。“基于这一发现，未来可能实现更多奇特现象，如非厄米朗道能级或时间晶体的创造，甚至有望通过复杂晶格设计实现不同类型的相对论准粒子。”薛昊冉表示，随着研究的不断深入，非厄米光学领域的潜在应用前景广阔。

　　多年来，薛昊冉及其团队在拓扑领域的研究持续取得显著成果，但作为一个新兴的研究领域，他们仍然面临着众多挑战和压力。面对这些挑战，薛昊冉表示，他最大的考验并非来自具体项目中的难题，而是方向选择的困惑。他认为，进行原创性研究需要源于内心深处独特的见解和创新精神。如果仅仅追随热点，虽然能够熟能生巧，但却可能陷入重复乏味的困境，贡献有限且身心俱疲。而追求原创性和突破性研究，则是一场充满未知与风险的探险之旅。这不仅仅需要独立探索的精神，更像是在黑暗中摸索前行，每一步都充满了挑战与不确定性。

　　为了成为一名开拓者，薛昊冉在拓扑光子学领域深耕的同时，也在不断尝试新的研究方向，例如将拓扑学和机器学习相结合。为此，他和团队申请了国家自然科学基金青年科学基金项目“通过机器学习设计电磁波拓扑边界态”，项目将关注多种具有实际应用价值的边界态色散，旨在开发一套高效的机器学习算法，并在实验中验证所设计的结构。届时，相关成果将为拓扑电磁学在实际设备中的应用提供有力支持。

　　实际上，拓扑电磁学为解决电磁器件性能下降的问题提供了一种新的思路，但目前其研究仍处于初级阶段，如何调控拓扑电磁边界态色散已成为科学界亟待解决的问题。薛昊冉的项目正是利用机器学习创新调控方法，以期突破现有局限，为电磁学的发展揭开新的篇章。