编者按

陆卫研究员是红外物理领域的领军科学家，其提出的局域化操控红外探测范式，突破了长波红外探测暗电流抑制的关键瓶颈，而其用红外光谱方法直接观测到准一维磁性材料中的Haldane能隙，是验证“Haldane猜想”（2016年诺贝尔物理学奖得主Duncan Haldane提出的著名理论推断）的首批实验之一。在基础研究之外，陆卫研究员带领团队研制了系列新型探测器件并实现了在多种型号的遥感卫星中应用。在担任红外物理国家重点实验室主任、中国科学院上海技术物理研究所所长期间，他决策布局了“基础物理-核心器件-载荷系统”的全创新链体系，为推动我国空间遥感技术的战略性跨越发挥了关键作用。

人 物 简 介

陆卫研究员于1983年毕业于复旦大学物理系激光专业，1988年在中国科学院上海技术物理研究所获得博士学位。1989年至1991年作为德国洪堡学者在德国布伦瑞克技术大学学习工作。1988年至今在中国科学院上海技术物理研究所工作，1996年至2000年任上海技术物理研究所副所长，2001年到2011年任红外物理国家重点实验室主任，2013年到2018年任上海技术物理研究所所长，2019年至2025年任上海科技大学物质学院执行院长。他长期从事半导体光电子科学与技术研究，获2014年国家自然科学二等奖和2011年国家技术发明二等奖，发表SCI论文300余篇，出版专著3部，被SCI他引15000余次，获授权发明专利150余项。

「受访者」：陆卫

「采访者&翻译」：郭宸孜、王鹏

「原文信息」：Guo, C., Wang, P. Light People | Prof. Wei Lu spoke about infrared physics. Light Sci Appl 14, 334 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02012-8

Q：“Haldane猜想”是Duncan Haldane荣获2016年诺贝尔物理学奖的基础工作之一，而您用红外光谱方法直接观测到准一维磁性材料中的Haldane能隙，是验证该猜想的首批实验。能否分享背后的故事？

A：20世纪80年代，Duncan Haldane提出了著名的“Haldane猜想”，其预言一维磁性材料（自旋为整数的反铁磁链）具有能隙，但尚缺少直接的实验证据。而博士期间，我在沈学础院士指导下，实验确认了对扩展声子形成准局域特征后能够打破红外吸收禁戒判断的普遍性。那时候年轻，对自己的判断和实验能力很有信心，认为有机会从实验上去验证“Haldane猜想”。因此，80年代末期，我在德国做洪堡学者期间，与德国和法国同行展开合作，通过远红外光谱和强磁场实验，在一种镍基准一维反铁磁材料中成功观测到了约几毫电子伏大小的能隙。这项实验非常困难，不仅要创造极低温和超强磁场的实验条件，还要解决红外光谱测量中严重的噪声干扰。当清晰的吸收峰最终出现在光谱上时，我非常激动，但又格外谨慎。经过反复确认，我们确信这就是Haldane所预言的能隙。这一实验结果于1991年发表，是国际上首次利用红外光谱直接观测到Haldane能隙的报道，为验证Haldane的理论提供了关键证据。多年后，Haldane教授因对拓扑相变的理论贡献荣获诺贝尔物理学奖。我也为自己能凭借对局域化散射效应的认识，为这一领域做出贡献而深感欣慰。这段经历使我深刻认识到严谨的红外光谱实验工作对推动前沿理论发展的重要意义。

Q：是什么促使您从红外光谱研究，转向红外探测的原理和技术的研究？

A：在利用原位调制光谱研究半导体量子结构的过程中，我观测到，即使在室温（存在声子强烈散射）下，单个AlGaAs量子台阶势垒中也能出现空间局域化的电子激发态。这一发现无法用传统的连续能带平面波模型来解释，因此区别于传统的离域化红外探测机制，我提出了基于局域化操控的红外探测理论，即采用局域态模型来描述量子势垒中电子激发态的形成机制。而这一研究与上海技术物理研究所长期开展的红外探测技术领域紧密关联，具有明确的技术需求导向，这保证了研究方向的持续性和实用价值。以上的基础突破和实用考量促使我从红外光谱学转向红外探测原理与技术研究。同时，我始终高度重视光谱研究在光学和物理研究中的关键作用。很多前沿物理效应无法被直接观察，但通过精密的红外光谱测量手段，我们能够清晰揭示微观物理过程、验证理论假设，甚至发现前所未见的新机理。这些先进的实验方法，为原创性基础研究提供了重要支撑，而带来的基础突破，又进一步为器件技术的革新创造了机遇。

Q：您提到基础研究对器件技术的促进作用，能否以您近期在非平衡光电耦合及其相干调控的前沿成果为例，说明它们在器件技术方面的前景？

A：近年来，我们利用扫描近场噪声显微技术，在纳米尺度下直接观察了电子的非平衡能量耗散过程，工作刊发在《Science》。据此我们发现，电子的有效温度峰值并不出现在电流密度最大的区域，且远高于晶格温度。这一研究不仅提供了一种全新的能量耗散检测方法，也加深了我们对纳米电子器件发热机制的理解。未来，我们有望基于此开发局域热量的实时监测与调控技术，从而提升纳米电子器件的可靠性，甚至设计出利用热电子效应的新型红外探测器。另外，在一项发表于《Nature Physics》的研究中，我们在光磁耦合系统中首次引入了非厄米奇异点，显著增强了磁子频率梳的性能，使其在较低功率条件下也能实现宽频带输出。这种利用相干操控自旋波的新方法为实现片上宽带磁子频率梳提供了可能。由此，未来可能催生一系列以磁子为基础的新型器件，比如高效的片上射频信号源、宽带通信模块，以及结合光与磁的新型高灵敏度传感器。总而言之，我们这些创新性的研究成果，将原本偏向基础研究的非平衡态和相干效应，转化为具有实际应用潜力的新技术与新机理，为未来前沿器件的开发奠定了重要基础。

Q：您和团队在《Light: Science & Applications》上发表了“红外探测的微分体制”的重要成果。随着红外探测器自身探测灵敏度逐渐趋于本征极限，红外微分探测体制是否有望发挥更大作用？

A：我们提出的红外探测“微分体制”，是一种区别于传统“积分体制”的新探测思路。这类似于数学中的“微分”与“积分”思想。传统红外探测器测量目标信号和强大的环境红外背景信号的总和，采用的是积分体制；而我们提出的“微分体制”，则直接探测来自目标的光信号变化量。具体而言，我们通过巧妙地设计两个光电响应互为相反的探测单元，使它们在没有目标信号时相互抵消，进入一种“光电静默状态”。在该静默状态下，探测器对均匀的背景辐射产生零响应，有效地压制了环境背景信号的干扰。当目标的微弱信号出现时，这种静默状态就会被打破，探测器便能极其灵敏地捕捉到这种微小的变化。随着红外探测器的灵敏度越来越接近材料和器件的本征极限，由普朗克定律决定的环境热辐射背景信号往往成为提升灵敏度的瓶颈。而我们的“微分体制”通过抑制背景干扰并突出微小信号，有效突破了这一瓶颈，极大的抑制了暗电流，在长波红外波段的对地观测、深空探测等需要极高灵敏度、又伴随巨大背景干扰的应用中，具有极大的潜力。

Q：您研制的系列新型器件在多种卫星上实现了应用。通常从科学发现到新器件的研制再到空间应用，整个过程跨度大，常常会有难以越过的鸿沟。您是怎样推动原始创新转化的？

A：一方面，我们在进行基础研究时，始终关注航天实际需求，将理论创新与应用目标紧密结合。比如，目前国际上航天领域的成像光谱探测技术竞争激烈，如前面提及的强烈热辐射背景严重制约了探测效果，成为技术攻关的关键难点。当我们提出局域化操控理论，并发现能够实现临界耦合的红外探测模式时，立刻意识到这是一个难得的突破口，迅速将该基础突破转向实际的器件研发和工程化落地。另一方面，在研制高光谱长波红外探测器时，我们没有满足于基础的原型验证，而是迅速组织跨学科团队共同攻坚，逐一克服材料生长、器件设计和工艺优化等实际挑战。基于以上两方面的努力，最终，我们的探测器不仅实现了46个长波红外光谱通道的单片集成，大幅超越了此前国际上最高的4通道水平；而且首次成功验证了一种新的红外成像光谱技术路径，在实际卫星应用中，创新性地验证了红外热背景高效抑制的探测性能。截至目前，我们研制的多种创新器件已成功应用于“风云”等六种系列卫星上。我相信，只要方向精准，坚持不懈，协同“基础研究—技术攻关—航天需求”，原始创新成果完全可以穿越重重阻碍，在航天工程实践中结出丰硕的成果。

Q：您曾担任红外物理国家重点实验室主任和中国科学院上海技术物理研究所的所长，作为一流科研机构的决策者，您是如何把握单位学科发展方向的？

A：从我的科研管理经历中，我深刻体会到，要准确把握学科发展方向，首先需要具备全局视野。我在担任红外物理国家重点实验室主任和研究所所长期间，特别强调基础研究必须紧密结合国家需求，形成从理论机制到器件、再到系统应用的完整创新链条。一方面，我们时刻关注前沿进展，捕捉可能引领未来发展的新原理和新技术。比如近十年涌现出的超材料、二维材料、非厄米物理以及人工智能等前沿方向，我们都积极布局，将其与红外光电研究深度融合，力求在原始创新方面实现“从0到1”的重大突破。另一方面，我们深入理解国家在红外领域的发展趋势，尤其是在空间遥感技术方面，精准瞄准应用目标，推动关键技术在集成创新中的跨越式发展。该策略助力我们实现了风云四号气象卫星成像光谱技术，使我国成为全球唯一能够提供业务化应用的高时效红外高光谱数据源的国家，并为我国科学卫星与国土安全卫星载荷的技术发展提供了关键支持。通过集体智慧和专家充分论证，我们清晰确定了红外学科的核心攻关方向，避免了科研目标频繁变动的弊端。同时，我们坚持开放合作，积极吸引跨学科人才加入团队。我相信，正是这种前沿引领与实际需求导向并重的战略思维，使我们能够准确把握红外领域的发展趋势，推动研究所在正确的轨道上持续前行。

Q：长期以来，您带领团队从红外基础物理到航天应用方面做出了开拓性创新，如何培养人才，以面向横跨基础-应用的布局？

A：培养能贯通基础科学与实际应用的创新人才，关键在于给予他们足够宽阔的跑道和合理的接力梯队。多年来，我带领团队坚持基础物理探索与航天应用牵引并重，这种跨领域的研究项目本身就为年轻科研人员提供了很好的锻炼机会。在我们的团队中，新成员不仅深入参与基础研究，例如对红外物理新机理、新材料光电效应的探索等，同时也跟进具体器件的工程开发任务。通过这种双轨培养模式，他们既锻炼了从“0到1”的原始创新能力，也获得了从“1到10”的实际工程经验。此外，我们强调科研梯队的传承，由资深科学家在项目实施过程中，将窄禁带半导体物理的核心思想和工艺经验传授给年轻科研人员。同时，也为青年人才提供充分自主的创新空间，鼓励他们大胆探索新思想。我相信，当一个科研人员既精通基础原理又了解实际应用时，他就能更敏锐地发现前沿课题，更高效地推动科研成果的转化，也保证了团队科研工作的长期持续发展。

Q：在新时代的科研环境中，您认为如何更好地激发青年人才的创新潜力？

A：在新时代的科研环境中，要有效激发青年人才的创新潜力，需要同时营造自由探索与稳定支持并存的氛围。一方面，自由探索能激励年轻人提出更多原创想法，增加产生颠覆性技术的可能性；另一方面，面向国家重大应用需求开展研究，则能确保青年科研人员获得稳定的经费支持与良好的实验条件保障。我一直鼓励年轻科研人员大胆提出新想法，即便这些想法最初可能显得不切实际，因为真正的颠覆性突破往往藏在那些最初看似离经叛道的观点之中。此外，还要为青年人提供宽松的时间，让他们专注于科研本身，尽量减少事务性工作的干扰。在我们团队中，我特别强调跨学科合作与开放式交流，让年轻科研人员感受到创新过程中的活力与乐趣。团队中的资深科学家作为引路人，与年轻研究者保持密切的互动，帮助他们拓宽学术视野、完善研究思路，但同时也避免过多干预，确保年轻人拥有充足的自主成长空间。在这种模式下，我们团队的青年科研人员能够运用红外探测领域的局域化操控思想，在超材料、二维材料、非厄米物理和人工智能赋能红外技术等前沿领域中孕育出令人瞩目的成果。我相信，只要营造出一种信任、支持和包容的科研环境，青年科研人员的创造力一定能被最大程度地激发出来。

Q：在您看来，红外光电领域的下一个颠覆性突破可能出现在哪些方向？

A：我认为下一次颠覆性突破，将在科学认知和技术能力这两个方向上出现。无论哪个方向，其核心目标都是不断突破红外探测器的性能极限。从科学认知上来看，红外探测芯片的研发范式正经历着从传统的试错法向数据驱动方法的深刻转变。这种转变尤其体现在对芯片界面的认知上，有望打破过去依靠经验积累的局限，全面刷新我们对界面物理规律的理解，并提供解决人们在实践诺贝尔奖得主Herbert Kroemer提出的“界面即器件”理念中遭遇的维度灾难的新途径。这正是我们团队承担的基金委重大仪器项目所聚焦的核心科学目标之一。我们借助高通量光谱检测方法，将传统的界面“结构-效能关系”演进到“光谱-效能关系”，通过微观尺度对界面电子态局域化现象的精准感知，把经验知识体系高效映射到科学数据底座中，从而应用数据驱动大幅提升红外芯片的研发效率。而从技术能力上看，红外探测技术正在经历从“探测”到“识别”的跨越性进步。其中一个重要方向，是把“感知和计算”应用到红外探测芯片上，未来有望在芯片的光电转换层面实现一系列突破，例如：（1）从单一红外光信息维度向多维度红外光信息融合探测发展，实现对目标更加精准可靠的识别；（2）从传统的积分探测体制向微分探测体制演进，实现对特定敏感目标的精确感知；（3）从非相干光电转换向相干光电转换的突破，有效消除探测器自身噪声的干扰，提高探测灵敏度和精度。我们团队和国际上其他团队在这些方向都做了前期探索，展现出巨大的潜力。

Q：您和团队近期实现了超表面光子尺，并发现了自掺杂行为等 ，您怎么看待这些基础科学发现对于光电器件和光学遥感技术突破的潜在作用？

A：前面提到了红外光电领域中可能出现的在技术方面的颠覆性突破方向，而我们团队在贵刊发表的基于局域化光电操控的超表面光子尺和自掺杂行为两项基础研究成果，有望推动光电器件与光学遥感技术的变革。首先以超表面光子尺为例，我们证明了利用亚波长尺度的超表面结构，可以同时获取光的频率、偏振等多维信息，以类似模拟计算尺的方式精准地解读光子。这意味着，以往必须使用体积庞大的光学系统才能实现的光谱—偏振联合分析，未来有望仅用一片超薄芯片即可实现。对于光学遥感领域，这项突破将带来显著优势：卫星载荷的尺寸和重量可以大幅降低，而获取的探测信息维度反而得到显著提升。未来甚至只需手掌大小的设备，就能高效完成高光谱、高偏振的遥感任务，为航天遥感、环境监测等实际应用提供前所未有的便利。另一个基础发现是多种二维层状材料的背景掺杂极性和浓度会随自身膜厚改变，形成某种自掺杂行为，基于此，我们首次通过原子层厚度精确控制掺杂极性而构筑pn结。该超薄pn结可以在极窄尺度下形成强电场，驱动电子实现无能耗输运，从而达到完美雪崩式的高增益、低噪声光电倍增性能。这为设计有效抑制电子散射噪声、极具灵敏度的红外探测器提供了坚实基础。总的来说，这些基础研究成果向实际应用的转化，有可能带来红外光电领域的飞跃性进展。无论是基于原子层雪崩效应的新一代红外焦平面阵列，还是融合光子尺技术实现的片上集成光谱-偏振成像，都有望成为下一代光电器件与光学遥感技术的核心组成部分，为人类赋予更精细、更深入的观测能力。

采访者介绍

郭宸孜，博士，编审。任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Light学术出版中心副主任、副总编，两期卓越计划期刊eLight编辑部主任、两期卓越计划领军期刊Light: Science & Applications责任编辑。中国科学院青年创新促进会会员，中国科技期刊编辑学会国际交流与合作工作委员会委员、青委会委员，吉林省科技期刊工作者协会理事。入选中国科技期刊卓越计划优秀百人案例、中国科协和科技日报联合组织的“一流期刊青年说”专题人物，获第三届中国科技期刊青年编辑大赛一等奖、中国科技期刊卓越计划优秀编辑、中国科协优秀科技论文编辑表彰、中国科学院科技出版先进个人奖、中国科学院优秀编辑、长春分院青年先锋，长春光机所第二届先进个人等奖项。其授课的课程入选国家专业技术人才知识更新工程的公需科目课件，主持卓越计划项目等国家、省部级项目7项，在Nano Today、Science China Materials、Applied Optics、《编辑学报》等学术期刊发表论文30余篇，作为共同作者出版译著1部（《光学与光子学：美国不可或缺的关键技术》，科学出版社），受邀在国内外学术会议作报告40次。

王鹏，博士，青年研究员，博士生导师，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室“高灵敏甚长波红外探测器”学术方向带头人，入选国家优秀青年基金、中国科学院青年创新促进会、中国科协青年人才托举工程、上海市青年科技英才，上海技物所启明星研究员，长期从事红外光电探测新机制、先进FPA芯片设计和制造及其空间应用研究。第一、通讯在Light: Science & Applications、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、IEEE Electron Device letters、IEEE Transactions on Electron Devices等期刊发表SCI论文44篇，共发表论文110余篇，引用14000余次，h因子60（Google Scholar）；申请发明专利16项，已授权8项。曾获上海市自然科学奖一等奖（第三完成人）、中国光学工程学会自然科学奖一等奖（第四完成人），IEEE ICOCN国际会议Young Scientist Award。目前担任《红外与激光工程》青年编委执行委员会委员，中国物理学会四刊联合青年编委，中国激光杂志社&Chinese Optics Letters青年编委，Sensors编委&特刊编辑，Journal of Infrared and Millimeter Waves青年编委&专刊副编辑；中国科学院青年创新促进会上海分会会长‌，电气电子工程师学会（IEEE）会员、中国电子学会（CIE）会员、中国光学工程学会（CSOE）会员、全国专业标准化技术委员会‌（TC）委员和应用物理前沿推介委员会委员等。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02012-8