尋光拓撲世界

從納米級光芯片至毫米級微波雷達，電磁波在各尖端科技中均扮演舉足輕重的角色。科技進步催生了對更高效穩定、功能更繁復的電磁波器件的迫切需求。然而，傳統器件在面對系統瑕疵、雜質及參數偏差時，難免效率下滑、信號動搖、能量耗損，成為性能提升的絆腳石。

近年嶄露頭角的拓撲電磁學，為這一難題提供了別開生面的解決之道。香港中文大學物理系助理教授薛昊冉深耕于拓撲光子學、拓撲聲學及非厄米物理學，是這一領域成就斐然的青年科學家。其科研歷程與科研成果不僅見證，更深度融入了這一學科的蓬勃發展。

從材料物理到拓撲物理

薛昊冉的科研之路緣起于2012年秋天。

那一年，迎著飄落的梧桐葉，18歲的薛昊冉踏進了南京大學的校門，開啟了材料物理專業的探索之旅。材料物理，這個當時頗具新意的學科方向，既蘊含著物理學科的深邃光芒，又閃耀著材料學科的瑰麗之美。

本科期間，薛昊冉在物理與材料的交織世界中游走，感受著科學的魅力。時光荏苒，轉眼到了2016年，他順利獲得學士學位，并開始為出國留學做準備。機緣巧合之下，他選擇去新加坡開啟一段嶄新的旅程。

“原本計劃2016年上半年畢業，下半年便赴新加坡開始新的學習生活，然而世事難料，我晚半年才踏入新加坡的校園。當時，新加坡的一位老師在南京大學論壇發布了招生信息，恰巧被我看見，于是便毅然決然地報了名。由于申請時間較晚，我的入學時間也隨之推遲了半年。”薛昊冉回憶道。然而，正是這段意外的延遲，讓他有幸遇見了南洋理工大學拓撲光子學與拓撲聲學這一新興領域的曙光。

面對全新的專業領域，薛昊冉坦言自己當初是憑直覺做出的選擇。那個看似“很物理”、聽起來高端且與數學緊密相連的專業方向，像一塊磁鐵深深吸引了他。幸運的是，初到南洋理工大學的他，恰逢拓撲光子學與拓普聲學領域的初創階段。他如同一位拓荒者，有幸參與了這些新興領域的早期耕耘。

“起初，我跟隨師兄們的腳步，在這個剛剛起步的領域里摸索前行。競爭如同戰場上的硝煙，無處不在，壓力也隨之而來。”薛昊冉介紹，“披星戴月”成了他那段時光的常態——每周七日無休，與時間賽跑趕末班車，“那時，我對學校末班車的時間了如指掌，總是掐著點趕上回家的車”。這樣的生活節奏持續了兩年之久，隨著知識的積累和技能的提升，他逐漸適應了這種快節奏的生活。

當時，拓撲聲學這個概念剛剛嶄露頭角，一些人對其持懷疑態度。然而，薛昊冉卻堅定地走在探索的道路上，不斷完善這一領域的理論基石。他的努力得到了領域內外的認可，并取得了一系列重要的科研成果。

2021年對于薛昊冉而言是碩果累累的一年。他憑借卓越的研究成就摘得了南洋理工大學研究卓越獎和材料研究學會物理學獎章的桂冠。同年，他博士畢業并留校擔任研究員之職。此時他所深耕的拓撲領域也已逐漸枝繁葉茂起來。

2023年10月，機緣巧合下，薛昊冉再次揚帆起航，回國工作并擔任香港中文大學物理系助理教授，繼續深耕拓撲和非厄米物理學領域的研究工作。他的名字頻頻出現在《自然》《自然·物理》《自然·材料》《自然評論材料》《自然評論物理學》《自然·通訊》《物理評論快報》等同行評審期刊上。50余篇論文，超過4000次的總引用量……作為一名年輕有為的學者，他的成果令人矚目。

如今，作為一位年輕的學者，薛昊冉把足跡刻在學術前沿，為拓撲物理學的發展貢獻著自己的力量。正如他所說，這個領域宛如橋梁，連接著理論與應用的兩岸。它既非深奧至極的基礎物理——如粒子物理那般精深莫測；亦非純粹的應用科學，直接服務于日常。它巧妙地運用繁復的數學工具，構建出光與聲的奇妙現象，猶如在知識的海洋中架起一座橋梁，承前啟后，繼往開來。

“目前，我們正通過一系列簡潔而精妙的實驗，驗證這一領域的可行性。每一次成功的實驗，都如同在這座橋梁上添磚加瓦，為未來的廣泛應用奠定堅實的基礎。簡而言之，我們正致力于將復雜的理論轉化為實際應用，讓科技之光照亮未來的道路。”薛昊冉表示。

從跟隨熱點到創造熱點

一路走來，薛昊冉得益于眾多師長的悉心指導。在新加坡求學期間，他有幸遇到兩位杰出的導師。

一位是張柏樂老師，他的教學方式頗具“無為而治”的風范。張老師從不拘泥于瑣碎細節，也從不限制學生的自由。他鼓勵學生自主探索，發掘自身興趣所在。正是這種寬松的環境，讓薛昊冉能夠如魚得水，廣泛涉獵，不斷拓寬知識邊界。

另一位則是副導師莊一東（Chong Yidong）先生，他年輕有為，是科研領域的璀璨明星，也是拓普光子學的先驅之一。他給予薛昊冉的，更多是科研思路上的啟迪。薛昊冉博士二年級時在《自然·材料》雜志上發表了一篇佳作，引起了廣泛關注。當他興致勃勃地與莊老師分享這一喜訊時，老師卻提醒他：“好的開始是成功的一半，但要想走得更遠，就不能止步于跟隨熱點。”這番話讓薛昊冉醍醐灌頂，他意識到原創性才是科研的真諦。從此，他更加堅定地投身于開拓性的研究中，力求成為創造熱點的領軍人。

如今，薛昊冉自己也成為一名老師，來到香港中文大學的第一年，他便招募了3位博士與1位博士后，組建了一支5人的團隊。作為拓撲科研領域冉冉升起的一顆新星，他帶領課題組穩步前行。在研究方向上，團隊既保持獨特性又注重交叉融合，以確保每位成員都能獨當一面，同時又能攜手共進。“團隊成員間年齡差距不大，彼此關系融洽。我既是他們的導師，也是他們的朋友。平日里，我們的交流溝通輕松自如。”薛昊冉表示。

融洽的師生關系，在合作研究上得到了另一種意義深遠的延續。薛昊冉和導師間的和諧互動，為合作研究注入了新的活力，并結出了豐碩的成果。

近日，薛昊冉帶領課題組與張柏樂教授課題組合作攻關的項目，在非厄米光學研究領域取得了顯著進展。他們利用合成維度的光子晶體，成功證明了狄拉克質量可由光學增益和損耗產生。薛昊冉作為共同第一作者，已將這一成果發表在國際期刊《自然》上。

這項研究突破了傳統物理學對質量的理解，不僅揭示了狄拉克質量可通過非厄米機制調控，而且為未來的科學研究開辟了新方向。“基于這一發現，未來可能實現更多奇特現象，如非厄米朗道能級或時間晶體的創造，甚至有望通過復雜晶格設計實現不同類型的相對論準粒子。”薛昊冉表示，隨著研究的不斷深入，非厄米光學領域的潛在應用前景廣闊。

多年來，薛昊冉及其團隊在拓撲領域的研究持續取得顯著成果，但作為一個新興的研究領域，他們仍然面臨著眾多挑戰和壓力。面對這些挑戰，薛昊冉表示，他最大的考驗并非來自具體項目中的難題，而是方向選擇的困惑。他認為，進行原創性研究需要源于內心深處獨特的見解和創新精神。如果僅僅追隨熱點，雖然能夠熟能生巧，但卻可能陷入重復乏味的困境，貢獻有限且身心俱疲。而追求原創性和突破性研究，則是一場充滿未知與風險的探險之旅。這不僅僅需要獨立探索的精神，更像是在黑暗中摸索前行，每一步都充滿了挑戰與不確定性。

為了成為一名開拓者，薛昊冉在拓撲光子學領域深耕的同時，也在不斷嘗試新的研究方向，例如將拓撲學和機器學習相結合。為此，他和團隊申請了國家自然科學基金青年科學基金項目“通過機器學習設計電磁波拓撲邊界態”，項目將關注多種具有實際應用價值的邊界態色散，旨在開發一套高效的機器學習算法，并在實驗中驗證所設計的結構。屆時，相關成果將為拓撲電磁學在實際設備中的應用提供有力支持。

實際上，拓撲電磁學為解決電磁器件性能下降的問題提供了一種新的思路，但目前其研究仍處于初級階段，如何調控拓撲電磁邊界態色散已成為科學界亟待解決的問題。薛昊冉的項目正是利用機器學習創新調控方法，以期突破現有局限，為電磁學的發展揭開新的篇章。

對于薛昊冉而言，科研不僅是追求真理的過程，更是不斷創新、追求卓越的旅程。薛昊冉和團隊仍在攀登拓撲科學的高峰，他永遠期待下一個成果，期待在拓撲學的高山之巔眺望那個全新的未來。