中国科学院院士徐红星

徐红星，物理学家。武汉大学教授。1969年5月出生于江苏省灌云县，江苏灌云人。1992年毕业于北京大学，1998年和2002年分别获瑞典查尔莫斯理工大学硕士和博士学位。2017年当选为中国科学院院士。现任武汉大学物理科学与技术学院院长。

1992年7月毕业于北京大学技术物理系，获学士学位；

1996年—2004年赴瑞典留学及工作；

2002年3月于瑞典查尔莫斯大学物理学院获博士学位；

2002年8月—2004年12月于瑞典隆德大学物理系任助理教授；

2005年1月，入选中国科学院“百人计划”,任研究员；

2006年国家杰出青年基金获得者；

2007 年-2008年任中国科学院表面物理国家重点实验室副主任

2008年担任科技部973项目首席科学家；

2009 年任中国科学院纳米物理与器件重点实验室主任

2010年第十一届中国青年科技奖获得者；

2012年9月—至--，进入武汉大学物理科学与技术学院，教授，任纳米科学与技术中心主任

2015年7月31日，入选中国科学院院士增选初步候选人名单。

2017年11月，当选中国科学院院士。

主要从事等离激元光子学、分子光谱和纳米光学的研究。发现成对金属纳米颗粒在光场作用下能够在其纳米间隙中产生巨大的电磁场增强效应，是单分子表面增强拉曼光谱的原因，也是其它基于纳米间隙效应研究的物理基础；提出了等离激元光学力和单分子捕获、表面增强拉曼与表面增强荧光统一的理论，发现表面增强光谱的纳米天线效应，研发了针尖增强拉曼光谱系统，实现等离激元催化反应。发现纳米波导等离激元的激发、传播、发射、与激子相互作用的物理机理和调控机制；在纳米波导网络中实现光子路由器、完备的光逻辑、半加器和光逻辑的级联。曾获中国青年科技奖、中国物理学会饶毓泰物理奖。

主要学术成就包括：

1. 金属纳米间隙结构的电磁场增强和表面增强光谱

电磁场增强效应是等离激元最基本的特性之一，是表面增强光谱增强的最主要原因。候选人及其合作者发现了金属纳米间隙结构的极强电磁场增强效应，并系统地研究了其产生机理和特性。

（a）发现了金属纳米颗粒间的纳米间隙能产生强烈的等离激元共振，具有巨大的电磁场增强效应，是产生单分子灵敏度的表面增强拉曼光谱的原因；在理论上系统地研究了单分子表面增强拉曼光谱的原理及产生条件，解释了表面增强拉曼光谱的主要机理，即等离激元共振耦合可使纳米间隙内的光强产生近百万倍的增强，同时金属纳米结构作为纳米天线可使拉曼散射的发射增强产生类似的近百万倍的增强，因而单个分子总的拉曼增强可以达到1011以上，从而达到可探测的水平。这一发现是单分子表面增强光谱和其它增强非线性效应的基础，也是最近发展起来的等离激元光学力、增强的光与物质相互作用、纳米光学天线和量子等离激元光子学等新研究方向的基础，引领了这些新兴领域的发展；美国物理学会2010年三月会议的一个主题分会(Z2：Plasmonic nanogaps)对由此发展起来的各种研究内容进行了专题研讨。论文发表在PRL 83 4357 (1999)和PRE 62 4318 (2000)，已分别被SCI杂志引用1211次和885次，是单分子表面增强拉曼光谱和等离激元光子学领域的经典文献，其中PRL论文是1999年发表的所有PRL中引用最高的十篇文献之一，PRE论文是2000年

发表的所有PRE中引用最高的文献。

（b）发现了金属纳米颗粒间隙中的单分子拉曼散射的偏振方向受金属纳米结构的构型调制，金属纳米结构作为纳米天线可以旋转单个量子发光体发射光的偏振方向，从而实现纳米光源的偏振调节。结合对金属纳米间隙结构的表面增强拉曼光谱和激光偏振方向的关系的系统研究在实验上明确证实了通过金属纳米结构等离激元共振耦合产生的电磁增强是表面增强拉曼光谱的主要原因，澄清了表面增强拉曼光谱增强机制（电磁增强和化学增强）的长期争议。论文发表在Nano Letters 8, 2497 (2008)，PNAS 105, 16448 (2008)和ACS Nano 3, 637 (2009)，分别被SCI引用141次，105次和58次。

（c）利用银纳米线中传播的等离激元以及纳米线与纳米颗粒间等离激元共振耦合产生的巨大增强电场，在单分子水平上实现了表面增强拉曼散射的远程激发,这种激发方式为纳米尺度的光谱激发和探测提供了新方法和新思路。研究结果发表在Nano Letters 9, 2049 (2009)，被SCI引用100次。

（d）成功自主研发了高真空针尖增强拉曼光谱系统，极大地提高了表面增强拉曼光谱的空间分辨率，观察到了有机小分子红外活性模式的拉曼增强，并发现了表面等离激元退激发而产生的热电子诱导的有机分子化学反应，把等离激元光子学拓展到化学反应领域。论文发表在Scientific Reports 2, 647 (2012)和Phys. Rev. E 87, 020401(R) (2013)，分别被SCI引用45次和20次。该实验仪器在针尖增强拉曼光谱、等离激元催化化学反应、高真空弱光信号的原位提取等方面有重要作用。该仪器设计已经获得国家知识产权局的发明专利授权（专利号：ZL 2010 1 0228026.3）。

2. 等离激元在金属纳米波导及其网络中的传播特性和功能器件

等离激元的另一个重要特性是对光的强束缚，可以突破光的衍射极限，实现在纳米尺度上对光的操控，这一特点可用于光学器件的小型化和高密度集成。近五年候选人和他的研究组对金属纳米线波导特性开展了深入和系统的研究，做出了一系列原创性的工作，包括：首次利用金属纳米线等离激元波导构建纳米全光网络；首次实现基于等离激元的纳米光学路由器、完备逻辑门和半加器，并首次验证了等离激元逻辑功能的可扩展性等。这些工作被国际光学工程学会SPIE Newsroom邀请撰写专题报道，并且候选人因此获邀作国际会议邀请报告20余次（包括三次Keynote主旨报告）。

（a）一维金属纳米线波导中等离激元的传播特性

全面系统地研究了银纳米线波导中等离激元的激发、传播和发射特性，并揭示其主要机理，主要成果包括：发现传播的等离激元具有定向发射特性；通过对纳米线波导结构参数和激发方式的改变，实现了等离激元的手性传播以及发射光偏振特性的调控；发现等离激元的近场分布和传播模式强烈依赖于纳米线周围的介电环境，通过对介电环境的控制实现了对等离激元传播的调控；发现传播的等离激元和半导体量子点的激子可以相互激发和转化；实现了对金属纳米线上两个量子点产生的表面等离激元的分辨等。近五年候选人作为通讯作者发表相关SCI论文16篇，包括1篇PRL、1篇PNAS、5篇Nano Letters等，共被SCI引用428次，是研究纳米光芯片的重要基础性工作。

（b）金属纳米线波导网络及其单元功能器件

片上可集成的光信号处理技术可能是未来很有潜力的新型信息技术。候选人和他的研究组在世界上首先研制出系列完备的纳米全光逻辑器件、半加器和路由器，为进一步发展纳米光芯片奠定了基础。在纳米线网络结构中，通过控制结构参数、输入光的偏振和相位，调控等离激元在波导中的模式及其干涉特性，控制等离激元的近场强度和传播方向，从而控制输出端的光强。基于此实现了纳米尺度的光子路由器、不同波长光信号分离器和基本逻辑运算（与、或、非等）。另外，四终端的网络结构可以作为半加器实现两个二进制数的加法运算。相关结果发表在Nano Letters 10, 1950 (2010)和Nano Letters 11, 471 （2011），分别被SCI引用96次和68次。

（c）等离激元功能器件的集成

利用金属纳米波导网络中等离激元的干涉效应，通过单元器件或门和非门的级联实现了或非运算。利用量子点成像手段，揭示了该器件的工作机制，即非门控制端网络结点处的等离激元电场分布须调控成极大值，从而可以跟来自或门的等离激元信号实现很好的干涉，将或运算的结果反转，来实现或非运算。该工作首次证实了等离激元逻辑的可扩展性，为未来片上集成光信息处理技术提供新的可能性。研究结果发表在Nature Communications 2, 387 (2011)，被SCI引用72次。[6] 

目前的研究课题及展望

（1）单分子表面增强光谱；（2）纳米光学；（3）单分子探测和操控；（4）单分子光致电子输运；（5）表面等离子体共振和表面增强光谱生物传感器；（6）基于表面等离子体共振的纳米天线；（7）分子和金属界面间的电荷转移效应；（8）拓展的MIE散射理论及其应用。