徐紅星(中國科學院院士、物理學家)

徐紅星，1969年5月出生於江蘇省連雲港市灌雲縣，物理學家，中國科學院院士、開發中國家科學院院士，武漢大學物理科學與技術學院教授、博士生導師、院長，武漢大學高等研究院副院長。

1992年徐紅星從北京大學技術物理系畢業；1996年前往瑞典留學及工作，先後獲得瑞典查爾姆斯理工大學碩士、博士學位；2002年博士畢業後在瑞典隆德大學物理系任助理教授；2005年入選中國科學院百人計畫，並回國擔任中國科學院物理研究所研究員；2006年獲得國家傑出青年科學基金支持；2009年至2014年擔任中國科學院納米物理與器件重點實驗室主任；2011年加入中國共產黨；2012年進入武漢大學物理科學與技術學院工作，擔任教授、納米科學與技術中心主任；2014年被聘為長江學者獎勵計畫特聘教授；2016年入選萬人計畫科技創新領軍人才；2017年當選中國科學院院士；2018年當選為開發中國家科學院院士。

徐紅星主要從事等離激元光子學、分子光譜和納米光學的研究。主要包括：單分子的物理化學性質，單分子操控及器件的研究；表面增強光譜；複雜金屬納米結構的表面等離體學；表面電漿光學感測器；近場光學的理論模擬與計算。

基本介紹

• 中文名：徐紅星
• 國籍：中國
• 民族：漢族
• 出生地：江蘇省連雲港市灌雲縣
• 出生日期：1969年5月
• 職業：教育科研工作者
• 畢業院校：瑞典查爾姆斯理工大學
• 主要成就：2017年當選為中國科學院院士
  2018年當選為開發中國家科學院院士
  單分子表面增強光譜領域的開創者之一 
• 學歷：研究生
• 學位：博士

人物經歷

1988年7月，徐紅星從江蘇省板浦高級中學畢業，考入北京大學。

1992年7月，徐紅星從北京大學技術物理系畢業，獲得學士學位。

1996年，徐紅星前往瑞典留學及工作。

1998年，徐紅星獲得瑞典查爾姆斯理工大學碩士學位。

2002年3月，徐紅星獲得瑞典查爾姆斯理工大學博士學位。同年8月在瑞典隆德大學物理系任助理教授（至2004年12月）。

2005年1月，徐紅星入選中國科學院百人計畫，並從瑞典回到中國，擔任中國科學院物理研究所研究員。

2006年，徐紅星獲得國家傑出青年科學基金支持。

2007年，徐紅星擔任中國科學院表面物理國家重點實驗室副主任（至2008年）。

2008年，徐紅星擔任國家重點基礎研究發展計畫（973計畫）首席科學家。

2009年，徐紅星擔任中國科學院納米物理與器件重點實驗室主任（至2014年）。

2011年5月，徐紅星加入中國共產黨。

2012年9月，徐紅星進入武漢大學物理科學與技術學院工作，擔任教授、納米科學與技術中心主任。

2014年，徐紅星被聘為教育部長江學者獎勵計畫特聘教授。同年再次擔任國家重點基礎研究發展計畫（973計畫）首席科學家。

2015年7月，徐紅星入選中國科學院院士增選初步候選人名單。

2016年，徐紅星入選萬人計畫科技創新領軍人才。

2017年11月，徐紅星當選中國科學院院士。

2018年，徐紅星入選為中國光學學會會士；同年11月，當選為開發中國家科學院院士。

主要成就

科研成就

• 科研綜述
  

徐紅星發現成對金屬納米顆粒在光場作用下能夠在其納米間隙中產生巨大的電磁場增強效應，是單分子表面增強拉曼光譜的原因，也是其它基於納米間隙效應研究的物理基礎；提出了等離激元光學力和單分子捕獲、表面增強拉曼與表面增強螢光統一的理論，發現表面增強光譜的納米天線效應，研發了針尖增強拉曼光譜系統，實現等離激元催化反應。發現納米波導等離激元的激發、傳播、發射、與激子相互作用的物理機理和調控機制；在納米波導網路中實現光子路由器、完備的光邏輯、半加器和光邏輯的級聯。

• 學術成就
  

1. 金屬納米間隙結構的電磁場增強和表面增強光譜

電磁場增強效應是等離激元最基本的特性之一，是表面增強光譜增強的最主要原因。候選人及其合作者發現了金屬納米間隙結構的極強電磁場增強效應，並系統地研究了其產生機理和特性。

（a）發現了金屬納米顆粒間的納米間隙能產生強烈的等離激元共振，具有巨大的電磁場增強效應，是產生單分子靈敏度的表面增強拉曼光譜的原因；在理論上系統地研究了單分子表面增強拉曼光譜的原理及產生條件，解釋了表面增強拉曼光譜的主要機理，即等離激元共振耦合可使納米間隙內的光強產生近百萬倍的增強，同時金屬納米結構作為納米天線可使拉曼散射的發射增強產生類似的近百萬倍的增強，因而單個分子總的拉曼增強可以達到1011以上，從而達到可探測的水平。這一發現是單分子表面增強光譜和其它增強非線性效應的基礎，也是最近發展起來的等離激元光學力、增強的光與物質相互作用、納米光學天線和量子等離激元光子學等新研究方向的基礎，引 領了這些新興領域的發展；美國物理學會2010年三月會議的一個主題分會(Z2：Plasmonic nanogaps)對由此發展起來的各種研究內容進行了專題研討。論文發表在PRL 83 4357 (1999)和PRE 62 4318 (2000)，已分別被SCI雜誌引用1211次和885次，是單分子表面增強拉曼光譜和等離激元光子學領域的經典文獻，其中PRL論文是1999年發表的所有PRL中引用最高的十篇文獻之一，PRE論文是2000年發表的所有PRE中引用最高的文獻。

（b）發現了金屬納米顆粒間隙中的單分子拉曼散射的偏振方向受金屬納米結構的構型調製，金屬納米結構作為納米天線可以旋轉單個量子發光體發射光的偏振方向，從而實現納米光源的偏振調節。結合對金屬納米間隙結構的表面增強拉曼光譜和雷射偏振方向的關係的系統研究在實驗上明確證實了通過金屬納米結構等離激元共振耦合產生的電磁增強是表面增強拉曼光譜的主要原因，澄清了表面增強拉曼光譜增強機制（電磁增強和化學增強）的長期爭議。論文發表在Nano Letters 8, 2497 (2008)，PNAS 105, 16448 (2008)和ACS Nano 3, 637 (2009)，分別被SCI引用141次，105次和58次。

（c）利用銀納米線中傳播的等離激元以及納米線與納米顆粒間等離激元共振耦合產生的巨大增強電場，在單分子水平上實現了表面增強拉曼散射的遠程激發,這種激發方式為納米尺度的光譜激發和探測提供了新方法和新思路。研究結果發表在Nano Letters 9, 2049 (2009)，被SCI引用100次。

（d）成功自主研發了高真空針尖增強拉曼光譜系統，極大地提高了表面增強拉曼光譜的空間解析度，觀察到了有機小分子紅外活性模式的拉曼增強，並發現了表面等離激元退激發而產生的熱電子誘導的有機分子化學反應，把等離激元光子學拓展到化學反應領域。論文發表在Scientific Reports 2, 647 (2012)和Phys. Rev. E 87, 020401(R) (2013)，分別被SCI引用45次和20次。該實驗儀器在針尖增強拉曼光譜、等離激元催化化學反應、高真空弱光信號的原位提取等方面有重要作用。該儀器設計已經獲得國家知識產權局的發明專利授權（專利號：ZL 2010 1 0228026.3）。

2. 等離激元在金屬納米波導及其網路中的傳播特性和功能器件

等離激元的另一個重要特性是對光的強束縛，可以突破光的衍射極限，實現了在納米尺度上對光的操控，這一特點可用於光學器件的小型化和高密度集成。近五年候選人和他的研究組對金屬納米線波導特性開展了深入和系統的研究，做出了一系列原創性的工作，包括：首次利用金屬納米線等離激元波導構建納米全光網路；首次實現基於等離激元的納米光學路由器、完備邏輯門和半加器，並首次驗證了等離激元邏輯功能的可擴展性等。這些工作被國際光學工程學會SPIE Newsroom邀請撰寫專題報導，並且候選人因此獲邀作國際會議邀請報告20餘次（包括三次Keynote主旨報告）。

（a）一維金屬納米線波導中等離激元的傳播特性

全面系統地研究了銀納米線波導中等離激元的激發、傳播和發射特性，並揭示其主要機理，主要成果包括：發現傳播的等離激元具有定向發射特性；通過對納米線波導結構參數和激發方式的改變，實現了等離激元的手性傳播以及發射光偏振特性的調控；發現等離激元的近場分布和傳播模式強烈依賴於納米線周圍的介電環境，通過對介電環境的控制實現了對等離激元傳播的調控；發現傳播的等離激元和半導體量子點的激子可以相互激發和轉化；實現了對金屬納米線上兩個量子點產生的表面等離激元的分辨等。近五年候選人作為通訊作者發表相關SCI論文16篇，包括1篇PRL、1篇PNAS、5篇Nano Letters等，共被SCI引用428次，是研究納米光晶片的重要基礎性工作。

（b）金屬納米線波導網路及其單元功能器件

片上可集成的光信號處理技術可能是未來很有潛力的新型信息技術。候選人和他的研究組在世界上首先研製出系列完備的納米全光邏輯器件、半加器和路由器，為進一步發展納米光晶片奠定了基礎。在納米線網路結構中，通過控制結構參數、輸入光的偏振和相位，調控等離激元在波導中的模式及其干涉特性，控制等離激元的近場強度和傳播方向，從而控制輸出端的光強。基於此實現了納米尺度的光子路由器、不同波長光信號分離器和基本邏輯運算（與、或、非等）。另外，四終端的網路結構可以作為半加器實現兩個二進制數的加法運算。相關結果發表在Nano Letters 10, 1950 (2010)和Nano Letters 11, 471 （2011），分別被SCI引用96次和68次。

（c）等離激元功能器件的集成

利用金屬納米波導網路中等離激元的干涉效應，通過單元器件或門和非門的級聯實現了或非運算。利用量子點成像手段，揭示了該器件的工作機制，即非門控制端網路結點處的等離激元電場分布須調控成極大值，從而可以跟來自或門的等離激元信號實現很好的干涉，將或運算的結果反轉，來實現或非運算。該工作首次證實了等離激元邏輯的可擴展性，為未來片上集成光信息處理技術提供新的可能性。研究結果發表在Nature Communications 2, 387 (2011)，被SCI引用72次。

• 學術論著
  

徐紅星在包括Nature Commun.，PRL，Nano Lett.，PNAS，JACS， Adv. Mater.等的國際著名科學雜誌發表論文150餘篇。

• 學術交流
  

（1）擔任國際學術會議的國際指導委員會委員或國際程式委員會委員10次，包括2009年、2011年和2013年的亞洲光譜會議（Asian Spectroscopy Conference），2011年、2013年和2015年的等離激元光子學國際會議（International Conference on Surface Plasmon Photonics），2012年、2013年和2014年的SPIE會議的等離激元光子學分會（Plasmonics: Metallic Nanostructures and Their Optical Properties 分會），2012年第十二屆國際近場光學會議（The 12th International Conference on Near Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques）。

（2）擔任國際學術會議主席10次，包括2009年第九屆國際量子結構中心年會，2009年和2011年ChinaNANO會議的納米光學和等離激元光子學分會，2010年、2012年和2014年的等離激元光子學前沿國際會議（International Conference on Frontiers of Plasmonics），2010年中韓Photonics和Plasmonics研討會（Sino-Korean Workshop on Photonics and Plasmonics），2010年第13屆中美Kavli科學前沿論壇（Chinese-American Kavli Frontiers of Science Symposium），2013年等離激元光子學前沿國際研討會（International Workshop of Frontiers of Plasmonics）、2013年納米等離激元光子學國際研討會（International Symposium on NanoPlasmonics）,2014 年納米材料與納米器件國際研討會(International Workshop on Nanomaterials and Nanodevices) 。

（3）擔任國際會議當地程式委員會/組織委員會主席 2 次，當地程式委員會成員 1 次，分別為：2010年 The 11th International Conference on Near Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques 當地程式委員會主席，2013 年國際量子結構中心年會組織委員會主席，2011 年ChinaNANO 會議當地程式委員會成員。

（4）在國際學術會議作邀請主旨報告（keynote talk）4 次，邀請報告（invited talk）38 次。

• 承擔項目
  

徐紅星主持的項目包括國家傑出青年科學基金、科技部重大科學研究計畫項目、基金委重點項目和儀器專項、中國科學院重要方向項目，基金委面上項目等。

人才培養

培養博士研究生和出站博士後

李志鵬 2008屆博士，現為首都師範大學教授

陳佳寧 2008屆博士（聯合培養），青年千人，現為中國科學院物理研究所百人計畫特聘研究員

楊志林 2009年出站博士後，現為廈門大學教授

魏紅 2009屆博士，現為中國科學院物理研究所副研究員，2014年基金委優青

黃映洲 2010屆博士，現為重慶大學副教授

管志強 2010屆春季博士，現為武漢大學副教授

李敬 2011年出站博士後，現為中國科學院理化技術研究所副研究員

Nate Grady 2011年出站博士後，現為美國橡樹嶺國家實驗室博士後（美國人）

董斌 2011年出站博士後，現為大連民族學院教授

劉寧 2011年出站博士後 ，現在愛爾蘭Limerick大學物理系助理教授

方蔚瑞 2011屆博士，現為瑞典Chalmers理工大學博士後

王文慧 2011屆博士 ，現為西安交通大學副教授

朱殷 2012屆博士，現為中國科學院光電研究院副研究員

榮譽表彰

時間	榮譽表彰
2010年	中國科學院百人計畫終期評估優秀
2010年	第十一屆中國青年科技獎
2011年	中國科學院朱李月華優秀教師獎
2013年	中國科學院青年科學家國際合作獎
2013年	中國物理學會饒毓泰物理獎
2013年	國務院政府特殊津貼
2017年11月	中國科學院院士
2018年4月25日	全國五一勞動獎章
2018年11月	開發中國家科學院院士

社會任職

徐紅星擔任《Optics Express》副主編；《Nanoscale》副主編；《Scientific Reports》編委；《Nanophotonics》編委；《Frontiers of Physics》編委；《Chinese Science Bulletin》編委；中國物理學會光散射專業委員會委員；中國材料研究學會納米材料與器件分會理事；中國科學院物理研究所第十屆學術委員會委員，第十一屆學術委員會常務委員；國家重大科學研究計畫項目（2013CB922400）專家組成員；國家重大科學儀器設備開發專項（2011YQ030124）技術專家組專家；北京郵電大學理學院兼職教授。

人物評價

徐紅星長期從事表面增強光譜和等離激元光子學（plasmonics）方面的研究工作，在單分子表面增強光譜和納米全光網路方面做出了開創性和系統性的工作。（北京大學評）

徐紅星主要從事等離激元光子學、分子光譜和納米光學研究，是表面增強光譜和等離激元光子學領域的國際著名科學家，在相關方向做出重要原創性成果。（武漢大學評）

徐紅星學術水平高，是納米光學領域的國內頂級學者，在國際上也很有影響。加上他為人謙遜、善於合作，對高端人才很有吸引力。他作為物理科學與技術學院院長，合理規劃學科布局，打造國際一流學科。引領了納米光學和等離激元光子學的學科發展，提升了學校和學院的國際影響力。（武漢大學物理科學與技術學院劉昌教授）