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数据库Light人物｜刘梦昆教授：在光与量子物质的交汇处，做“看得见”的量子科学
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编 者 按
在光与量子物质相遇的前沿领域，刘梦昆教授走出了一条独具特色的研究之路：将先进光学纳米显微技术、量子材料研究与新型光—物质相互作用研究深度融合。作为美国石溪大学物理与天文学系教授，他领导的超快与近场红外实验室（UNI-Lab），致力于发展极端条件下的红外—太赫兹近场光谱与纳米显微技术，实现了纳米尺度上对极化激元、各类集体激发及丰富量子现象的直接观测。
过去十余年间，刘梦昆教授及其合作者不仅在量子材料和纳米光子学领域取得一系列基础研究突破，更通过仪器创新持续拓展实验能力的边界——从低温强磁场环境下的近场光学显微系统，到基于同步辐射的红外纳米显微平台，无不彰显着他对“以新工具破解新问题”的持续深耕。在本次采访中，他分享了驱动自身科研之路的核心科学问题、对交叉研究与仪器研发的深刻理解、对青年科研人员培养的思考，以及对光学科学未来发展的判断。
“仪器不是发现的附属品，而是发现本身的前提。”
人 物 简 介
「受访者」：刘梦昆
「采访者&翻译」：郑文俊、郭巳秋
「原文信息」：Zheng, W., Guo, S. Light people: Professor Mengkun Liu. Light Sci Appl 15, 172 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-026-02211-x
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Q：您能否简要介绍一下目前的研究方向，以及课题组正在尝试回答的核心科学问题？
A：我们团队的核心关注点是，当量子材料被限制在纳米尺度时，电子、晶格与光场的集体行为如何涌现、相互作用并随时间演化。凝聚态物理中许多最引人注目的现象——如极化激元、超导、磁性和拓扑态——本质上都具有集体性与高度不均匀性。但长期以来，人们对这些现象的研究，主要依赖于时间与空间平均的探测方法。
正是这一局限，推动我们探索全新的研究路径。我们将红外至太赫兹波段的光与扫描探针纳米显微、超快激光技术相结合，在低温、强磁场等极端条件下搭建独特的光学平台，实现了对量子激发的产生、传播、干涉及能量耗散过程的高空间、高时间、高能量分辨率研究。目前，我们重点关注基于量子霍尔效应和超导光子探测器的量子传感纳米显微平台的研发与应用。
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Q：近场纳米显微术已经成为您研究工作中的标志性方法。与传统光学技术相比，它最核心的优势是什么？
A：近场纳米显微术的核心优势的是，在突破衍射极限的同时，能够完整保留低能量尺度（meV至eV量级）的光谱信息。这一点对量子材料研究尤为关键，因为这类材料中的许多关键长度尺度——如畴尺寸、相干长度及边界态的空间范围——往往仅为几十纳米甚至更小，传统光学技术难以测量。
图1：刘梦昆课题组正在发展极端条件红外—太赫兹纳米显微平台，旨在将其建立为研究量子材料中集体激发和电子激发的定量工具。该平台重点面向传统光学难以胜任的实验条件，包括深亚波长约束、低温、强磁场和超低信号水平。通过整合同步辐射 nano-IR、太赫兹近场显微和单光子超导探测技术，团队希望探测远场观测之外的量子霍尔激发和超导激发。长期目标是将纳米尺度光谱学建立为极端条件下量子材料与量子器件表征的重要工具
更重要的是，近场技术本身就是一种局域探针。它不仅能告诉我们“存在哪些激发”，更能清晰揭示这些激发出现在哪里、如何与周围环境相互作用、以及揭示在高动量空间下的色散分布。近年来，我们与哥伦比亚大学、布鲁克海文国家实验室等合作者携手，将磁场、低温与宽带光谱能力整合进实验系统，成功开拓了一写此前难以触及的实验区间。从这一角度而言，近场纳米显微技术正从定性成像工具，逐步发展为凝聚态物理研究中的定量分析平台。与此同时，我们也在开发基于人工智能和机器学习的分析方法，目前已能将材料局域介电函数的定量误差控制在3%—5%以内。
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Q：您的研究经常横跨光学、凝聚态物理和材料科学。您如何看待交叉学科研究？
A：在我看来，学科划分更多是为了方便交流与学术组织而设定的，并非自然界真实存在的边界。光不会区分自己所探测的是“物理问题”还是“材料科学问题”，真正重要的是，我们是否瞄准了关键科学问题，以及是否拥有回答这些问题的合适工具。
我们的许多研究思路都源于跨领域交流：有时来自做理论的朋友的启发，有时来自材料生长领域合作者的分享，甚至有时来自工程师的实践经验。即便这些想法未必能立刻转化为论文等“具体成果”，我依然十分珍视这类交流。在我看来，交叉研究的核心的是，既要扎根自身的核心专长，也要保持思想的开放性。这种开放性，往往能催生意想不到的学科关联，甚至开辟全新的研究方向。例如，我们曾利用光的近场增强效应，在蚕丝蛋白材料上实现纳米尺度“光刻”；近期，围绕Bolometric Superconducting Optical Nanoscopy（BOSON）的研究，我们又将超导量子传感与极化激元研究相结合，为未来发展具有量子关联的极化激元电路开辟了潜在研究路径。
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Q：仪器研发在您的科研生涯中占据了很重要的位置。为什么您如此重视新工具的建立？
A：物理学领域诸多变革性突破，均诞生于新型实验工具问世之后。在我看来，仪器研发并非发现之后的配套工作，其本身往往就是发现的前提。当我们开发一种新的显微或光谱平台时，不仅是在提升分辨率或灵敏度，更是在从根本上拓展“哪些问题可以被提出并解答”的边界。
例如，角分辨光电子能谱（ARPES）的出现，让人们得以直接描绘电子能带结构与多体重整化效应，这对理解非常规超导、关联电子体系及拓扑相至关重要；类似地，低温扫描隧道显微术（STM）使人们能够在实空间中观测到超导能隙、准粒子干涉及原子尺度的电子不均匀性，揭示了许多在动量空间平均或总体平均探测中完全隐藏的物理规律。
对我们而言，在磁场与低温条件下开展低能光学纳米显微研究，打开了一个全新的实验窗口。它让我们能够以纳米尺度分辨率，直接观测朗道量子化、集体模传播、对称性破缺、金属绝缘体和超导相变，以及局域在边界或畴结构中的光学/光热激发——这些现象在过去，往往只能通过体测量或输运信号间接推断。这一点对量子材料研究尤为关键，因为边界效应和非局域相互作用，通常发生在几个毫电子伏（meV）的低光子能量尺度上。
因此，即便身处现在这种快节奏的学术环境中，我们还是将仪器研发视为一项值得坚持的长期投资。设计、搭建并打磨一套新的实验平台，往往需要数年时间，但一旦平台成熟，再用它去探索新的物理问题，通常能支撑起一整套新的科研和探索生态，其影响也往往超出我们最初的设想。“工欲善其事，必先利其器”，我相信许多真正重要的突破，会源于这种耐心与长期的打磨。
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Q：您近年的工作越来越多地涉及太赫兹频段和量子材料。这个研究区间最吸引您的是什么？
A：在量子材料的能量谱中，太赫兹波段占据着极为独特的位置。太赫兹光子能量处于meV量级，可直接作用于决定宏观量子行为的低能集体激发，例如等离激元、声子、磁振子、超导振幅模和相位模，以及其他准粒子。更令人兴奋的是，现代凝聚态物理中的许多核心概念——如拓扑、量子几何和对称性破缺——往往在这些低能尺度上表现得最为清晰。比如，拓扑能隙、平带、贝里曲率诱导响应以及相互作用驱动的质量项生成，常常都出现在meV能区，而太赫兹光谱恰好能为这些现象提供直接、非微扰的观测手段。从这个意义上说，太赫兹探测并非只是光学测量或输运测量的补充，在很多情况下，它甚至是理解相关物理机制最自然、最直接的方式。
太赫兹技术在研究磁相关现象方面也极具优势。在外加磁场下，回旋共振、朗道能级跃迁、磁等离激元以及磁振子或自旋波激发等特征能标，通常恰好落在太赫兹范围内。这使得太赫兹辐射非常适合解析磁场诱导能隙、朗道量子化及集体模混合，尤其是在低维和强关联体系中。
对我而言，最令人振奋的一点是，太赫兹纳米显微不仅能在光谱维度“看见”这些激发，更能在空间维度直接观测它们的分布与演化。通过将meV级能量分辨率与纳米尺度成像相结合，我们可以直接观察量子几何、拓扑响应及磁相关激发如何沿边缘演化、跨越畴结构，或在缺陷附近变化——而这些区域，恰恰是许多最有趣的物理现象真正发生的地方。这种能力，对于理解量子材料中的耗散、相干和非平衡动力学至关重要。
图2：布鲁克海文国家实验室 NSLS-II 面向用户设施中的多太赫兹纳米显微平台，目前其低温版本也正在开发中
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Q：作为课题组负责人，您如何培养学生和博士后的创造力与独立性？对准备进入光学和凝聚态物理领域的年轻研究者，您有什么建议？
A：我始终努力营造一种让大家能够安心探索、允许犯错的科研环境。我鼓励组内成员提出“简单”“天真”甚至看似“幼稚”的问题——很多时候，正是这些提问，揭示了隐藏在前提假设背后的物理内涵，进而引出最具价值的学术讨论。我也始终将学习视为一个共同成长的过程——组内成员、合作者与我自己，其实都在彼此学习、共同进步。
与此同时，我格外强调培养年轻研究者的独立性。他们需要逐步培养自身的科研品味、科学直觉与判断力，建立一套难以被他人——甚至包括人工智能——轻易替代的独特能力。我的角色并非事无巨细地管理每一个实验步骤，而是提供必要的背景知识、科研指导与方向引领，同时给予他们足够的空间，让他们真正拥有自己的研究课题。对我而言，最值得自豪的时刻，不仅是学生发表了高水平论文，更是他们能够挑战我的判断，甚至证明我是错误的——这意味着，他们已经准备好走出属于自己的科学道路，无论未来深耕学术界还是投身工业界。归根结底，我认为一个研究组的成功，不应仅以论文数量衡量，更要看它是否培养出自信、审慎、能独当一面的科学工作者，是否让他们成长为更成熟、更完整的人。
对于准备进入光学和凝聚态物理领域的年轻人，我的建议是：保持好奇，也保持耐心。真正有意义的科研进展，往往比预想中更缓慢，挫折也是科研过程中不可或缺的一部分。但与此同时，不要丢掉对科学问题本身的惊奇感，也保留一点幽默感。很多最激动人心的科学问题，最初看上去往往是混乱的、复杂的，甚至相互矛盾的；犯错时，不妨一笑置之，坦然面对。从更长远的视角来看，最终是否能成为杰出的科学家，并非唯一重要的事；真正重要的是，持续培养自己的好奇心，并找到一条能够真正回应这份好奇心的道路。在人工智能与机器人技术飞速发展的今天，这一点或许会变得愈发重要。
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Q：您发表了大量研究论文，也以多种方式服务学术共同体。在您看来，什么样的论文才算是一篇优秀的科学论文？
A：这是一个难以回答却至关重要的问题。回顾过往部分发表于高影响力期刊的论文，我们难免会发现，其中有一些似乎并没有当初所获得的关注那样扎实。这种情况在科研界一直存在，未来或许也依然会存在。我对此并不特别困扰，因为科学本质上是人的事业，没有任何体系是完美的。
对我而言，一篇论文的真正价值，在于它能否经受住时间的检验。当我考虑发表一项研究工作时，我会问自己：二十年后，这项工作是否依然值得被重视？这远比它发表在哪个期刊上更为重要。在我看来，一篇优秀的论文，必须从一个清晰且重要的科学问题出发。技术是否复杂、仪器是否先进、数据量是否庞大，这些本身都不足以构成一篇好论文的核心。论文必须提供真正的物理洞见、深化概念认知，或是开辟新的研究视角。我自己在这方面也并非总能做到尽善尽美，但正视理想与现实之间的差距，本身就是科学诚实的一部分。
我也始终相信数据本身的力量。如果一项研究结果真正重要，它应当在很大程度上能够自我说明。过度包装叙事、追逐时髦表达，有时反而会遮蔽而非澄清背后的物理本质。最好的论文，应当以最清晰、最直白、最合乎逻辑的方式，忠实呈现实验数据，然后清晰阐释作者对这些数据的物理理解。
从长远来看，真正影响一个领域发展的论文，往往不是那些追求短期影响力最大化的工作，而是那些带来新思路、新实验能力，或是提出他人可以继续推进的新问题的研究。渐进式改进同样必要且有价值，但真正推动一个领域向前发展的，往往是研究视角的转变。这也是我始终努力遵循的标准，尽管这并非一条最容易走的路。我当然也鼓励学生在优秀期刊上发表论文，但始终会提醒他们：科研这件事，远不止发表论文本身。
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Q：展望未来，您认为光学科学和纳米光子学领域面临的主要机遇或挑战是什么？
A：在这个量子科技与人工智能并行发展的时代，光学探针不仅将继续在物质表征中发挥核心作用，更将在量子态操控、读出乃至数据处理等方面承担越来越重要的角色。光为我们提供了一种极具灵活性的作用界面，能够跨越不同的能量、长度和时间尺度，与量子态发生相互作用。谈到这个领域的机遇，我常常认同斯坦福大学Savas Dimopoulos教授的一句话：真正区分科学家的，是一种近乎艺术的判断力——能够辨别什么是好想法、什么是优美的想法、什么值得投入时间；更重要的是，能够识别一个问题是否既足够有趣、又足够具有挑战性，以至于它尚未被解决，但如今正到了可以被解决的时刻。我认为，在这个并不缺少技术与挑战的时代，这句话具有很强的现实意义；成为成功科学家的关键前提，在于如何选择值得做、且适合在当下开展的研究问题。
展望未来，我尤其看好纳米光子学与超导量子技术交叉领域的发展机遇。例如，我们提出的Bolometric Superconducting Optical Nanoscopy（BOSON）平台，旨在利用超高灵敏度的超导探测器，探测极其微弱的光学和太赫兹信号，这将为研究超导量子比特、芯片级量子电路，以及它们在纳米尺度上与光子的耦合，开辟新的可能。这些能力有望帮助我们直接理解量子器件中的耗散、退相干和能量流动——而这些问题，仍是可扩展量子技术面临的核心挑战。
图3：基于 Bolometric Superconducting Optical Nanoscopy （BOSON） 的超导输运近场光电流成像。a，近场光电流纳米显微示意图：局域光激发会扰动超导器件中的库珀对输运和电流再分布。b，基于Nb的超导器件跨越超导转变温区时（8.06K 到8.50K）的近场光电流图像，揭示了纳米尺度上空间不均匀的局域超导转变边界的出现与演化
往更长远的方向看，光学纳米显微也为在实空间中研究单光子器件和量子纠缠提供了一条极具前景的路径。能够在纳米尺度局域探测和操控光—物质相互作用，意味着我们有机会研究纠缠态如何形成、如何传播，以及它们如何在真实且不完美的环境中退化。
总体而言，我认为当前正是整个领域发展的黄金时期。回顾过去这些年实验能力的发展速度，我们不难发现：光学已不再只是一种被动的探测手段，而是越来越深地融入量子科学之中，正重新定义我们研究自然、理解未来技术，以及构建下一代量子技术的方式。
本期通讯员
郑文俊，美国石溪大学物理学博士研究生，主要从事实验凝聚态物理研究，研究方向聚焦于二维材料体系中的近场光学与纳米光谱领域。他于2021年从吉林大学本科毕业，同年加入刘梦昆教授课题组攻读物理学博士学位。近年来，他在Nat. Nanotechnol., Sci. Adv., Phys. Rev. X, Light Sci. Appl.等期刊发表多项研究成果，研究工作主要围绕二维量子材料中的近场光学成像、量子霍尔态局域响应及磁场调控的等离激元/极化激元现象展开；并多次在APS March Meeting、DPG Spring Meeting等国际学术会议上报告相关研究进展。他曾荣获2023年度Lourie Summer Research Fellowship等奖项。
郭巳秋，编审，牛津大学访问学者，现任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Light学术出版中心副总编，中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Light：Advanced Manufacturing》（《LAM》）编辑部主任、中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《Light: Science & Applications》（《Light》）科学编辑，参与创立建设《LAM》，为《Light》跻身世界一流科技期刊做出重要贡献。曾获全国科技期刊青年编辑大赛杰出编辑（全国一等奖）、中国科协优秀科技论文编辑表彰、吉林省高层次人才、广东省科技期刊优秀人才、中国科学院长春光机所先进个人等荣誉；受邀成为权威核心期刊《中国期刊年鉴》2024“年度人物”；作为编辑出版行业青年代表两次受光明网聚焦报道；编辑出版的论文入选中国科协优秀论文、中国科学院创新成果展等。作为项目负责人主持4项省部级编辑出版项目，累计参与20余项编辑出版、科研项目；在《Light》《编辑学报》《中国科技期刊研究》等学术期刊发表论文二十余篇。
曾作为会议执行人成功举办首届Light先进光学制造产业大会、Light联合国教科文组织国际光日活动系列学术活动；牵头落实Seed of Light星光奖学金社会公益活动评选；参与举办Light Conferences系列学术会议、Light期刊集群巡回讲座，Light专题研讨会等，数次到Light海外/区域办公室办公，并多次作受邀报告。
撰稿：郭巳秋
编辑：赵阳
审核：白雨虹
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