本文转自：科学网作者｜贺涛短短5天内|博士生一作发布重要成果！发现反直觉物理现象本文转自：科学网

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作者｜贺涛
短短5天内，先是喜添贵子，然后喜提Nature子刊。对于科研和人生来说，这无疑达到了一个小巅峰。
苏黎世联邦理工学院（ETH）博士生王智鑫戴上了这个主角光环。他所在的研究团队突破了量子级联激光器（QCL）的阈值功耗纪录，将纪录拉低了40%以上。
但其最大学术亮点还不在于此，而是发现了一个新的、违反直觉的物理现象，将激光器的功率和功耗同时优化。
王智鑫作为一作的这项研究于1月11日发表在NatureCommunications（《自然通讯》）上。值得一提的是，他还是这篇论文的通讯作者。一个博士生被列为通讯作者，也体现了他在这项研究中的贡献。

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根据NatureCommunications网站公布的信息，审稿人认为，作者采用的降低中红外QCL功耗解决方案是原创的，文章质量也又紧凑又好。
围绕降低功耗开脑洞
量子级联激光器是中红外波段主流的激光器类型。但高功耗一直制约其广泛应用。
怎么降低QCL的功耗呢？
2019年年底，王智鑫的导师、ETH物理学家杰罗姆·法斯特（Jér?meFaist）教授让他去开展这个新课题。一方面要把器件尺寸尽量做小，另一方面尽可能减小器件的能量损耗。这两个目标其实是冲突的，因为QCL的器件变小，会增大损耗。
当时，王智鑫已经在ETH读博3年了，正在考虑毕业事宜，新课题的领域方向他并不太熟悉。更糟糕的是，还赶上疫情封锁，实验室的使用也受干扰。他一下就抓了瞎，接下去的半年时间，没有任何进展，整个人“很崩溃，也很沮丧” 。
但研究思路一直在头脑中奔跑，终于，王智鑫想到，不如回到最基础的方向去试一下。
QCL的核心部分是一个腔体。理想情况下，最简单的低损耗腔体，就是两面平行、相对的镜子，光在其中来回反射，如果跑不出去，又没有被吸收的话，损耗就是零。为了让这两面镜子的反射率最大，镜面都镀上了金。
经镀金处理的实验器件，长度做到250微米，功耗低至300毫瓦；而一般QCL的长度是4毫米左右，功耗约10瓦。显然第一步成功了，实现了功耗的显著降低。
但这样设计有一个致命的问题，那就是由于两面都完全镀金，光根本跑不出来，没法用，怎么办？
搞物理的人喜欢用直觉思维，要想出光，最直接的办法就是在镀金镜面上打个眼儿。不过，开孔后会产生新问题，就是镜面的反射率随之下降、激光器损耗反而随之上升，功耗还是降不下来。
但管不了那么多了，先做仿真吧。

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王智鑫
王智鑫通过大量的计算机模拟，竟然发现还真有办法。对于4.5微米波长的光来说，如果在镀金膜上开一个直径大约990纳米的圆孔，不仅出光功率可以大幅提高，而且镀金膜的反射率竟然也可以同时提高。换句话说，激光器的功率和功耗可以同时得到优化。

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在特定的亚波长尺寸范围内，开孔可以提高金属镀膜的模式反射率（图片出处为本文的论文）
发现新的物理现象
王智鑫把仿真结果跟同组人讲，大家都不相信。
这怎么可能呢？透射和反射同时提高，这似乎违背了能量守恒定律。好比在大冬天敞开家门，室内的温度反而变得更热了。