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“圣墓的帷幕低垂——/舞者何其愚钝地沉睡——/当色彩的启示破茧而出时——/蝴蝶们——光彩熠熠！”美国著名诗人艾米莉·狄金森的诗句，生动映照出女性成长的历程：她们在成长中遭遇磨难与束缚，但对“光”的追求，让她们挣脱“茧”的桎梏，最终化作斑斓闪耀的蝴蝶。本期“Light人物”栏目特邀彭斯颖助理教授，分享她受蝴蝶翅膀光学特性的启发，在光学领域深耕钻研的故事。

人 物 简 介

彭斯颖现任西湖大学材料科学与工程系助理教授。她毕业于加州理工学院，获得物理学博士学位；本科毕业于得克萨斯A&M大学，获得物理学和数学双学士学位。此后在斯坦福大学从事博士后研究，获得斯坦福大学GLAM 先进材料青年科学家博士后奖。她的研究聚焦新型光子材料中的多尺度光 -物质相互作用的探索，这对器件级技术具有广泛的应用前景。通过原位光学透射电子显微镜技术，她深入解析了光-物质相互作用的机制，并将研究成果应用于手性光子学、激子器件和超灵敏成像等领域。

「受访者」：彭斯颖

「采访者&翻译」：王勣

「原文信息」：Wang, J. Prof. Siying Peng: caterpillars to butterflies, chasing light in photonics. Light Sci Appl 15, 34 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02111-6

Q：您能否讲讲成长过程中让您感觉如同破茧成蝶的关键时刻，这些经历又是如何最终引领您成为一名科学家的？

A：高中时，我曾经做过设计萨克斯管消音器的小项目。因为练习萨克斯管时经常吵到邻居，所以我特别想知道怎样才能降低乐器的音量。当时没有谷歌或者人工智能快速帮助我调研已有的方法，因此我几乎是从头开始思考这个问题的。基于自己对乐器中声音传播的直觉，我设计了一系列不同形状、长度和材料的“消音器”，放入乐器喇叭口。

外公十分支持这个想法，他主动协助我，用木头、泡沫等材料，完成了这些“消音器”的制作。随后，我逐一在演奏中测试它们，通过听觉评估它们的降噪效果和对音色的影响。虽然设计非常粗糙，测试方法也非常原始，但我第一次体验到了独立探索的乐趣。不仅让我开始思考声波背后的科学原理，也让我认识到材料科学在解决实际问题中的重要性。

回过头来再看，这段经历悄然播下了我成为科学家的种子。如今，我的研究依然是科学与工程的结合：我努力理解微观尺度下光与物质之间的相互作用，基于所得的科学洞察，设计具有新功能以及性能更优的材料。

彭斯颖童年时期与外公的合影

Q：在您获得德州农工大学数学与物理双学位后，是什么促使您选择在加州理工学院跟随美国物理学家、材料科学家哈里·阿特沃特教授攻读博士学位的，哈里·阿特沃特教授的研究重点包括纳米光子学、光-物质相互作用、太阳能转换等，这对您的研究方向产生了哪些深远影响？

A：我在本科期间在汉斯·舒斯勒教授的实验室完成本科生研究工作，接受了扎实的训练，学会了如何开展光学实验以及进行电磁波的数值模拟。我特别喜欢这段经历，可以参与到项目的各个环节，从仿真建模、材料合成到光学表征。

加州理工学院在光学前沿领域汇聚了一批顶尖科学家，也拥有世界一流的超净间，这对我很有吸引力。哈里·阿特沃特教授课题组的博士生与博士后研究人员来自材料科学、物理和化学等多个领域，是一个进行交叉学科研究的好地方。最打动我的是他课题组培养出了该领域的众多女科学家，女性博士生比例超过一半。哈里·阿特沃特教授思想开明，非常支持学生的想法，因此我们获得许多在科研上探索的机会。他拥有超越象牙塔、延伸至顶尖产业变革领域的远见，这些远见，让我对科学在社会中所扮演的角色有了深刻的理解。我在哈里课题组读博期间，有机会与阿尔伯特·波尔曼教授合作，运用角分辨阴极荧光光谱技术研究拓扑光学材料。与阿尔伯特·波尔曼教授的合作，于我而言，也是一次极其宝贵的经历。我从他的科研思路与研究方法中获益良多。

彭斯颖博士期间发表在《物理评论快报》上的论文

Q：您最初对蝴蝶翅膀的痴迷是在何时与您的光学研究产生交集的？是什么激发您去探索这些纤薄翅膀中隐藏的光学奥秘？

A：我研究的灵感源自蝴蝶翅膀上的连续螺旋结构，这是一种具有三周期、体心立方对称的最小等值曲面结构，表面上没有一条直线，完全由平滑的曲率构成。单连续螺旋结构就能衍生出多种复杂结构。最令人惊叹的是，如此奇妙的几何构型竟能在生物体内通过自下而上的方式自然合成，这一点本身就令人着迷。

更有意思的是这种结构具有非常独特的结构-性能关系。单连续螺旋结构具备完整的光子带隙，能够在特定波长下完全反射光线——这正是某些种类蝴蝶翅膀呈现鲜艳色彩的原因。当单连续螺旋结构与其反演对称的对应结构结合时，便形成了双连续螺旋结构；而当双连续螺旋结构的反演对称性被破坏时，它会展现出拓扑特性。在这类结构中，沿特定方向传播的光线受到拓扑保护，避免了散射和损耗。

在我们的项目中，连续螺旋光子晶体的制备是主要瓶颈。连续螺旋结构是一种复杂的三维结构，目前仅能通过双光子光刻技术实现。然而，在实际制备过程中，我们遇到了诸多挑战：例如，光刻胶在显影后容易收缩；制备出的聚合物结构力学稳定性较差；最关键的是，光刻胶的低折射率导致光学响应微弱。尽管我们进行了多次尝试与调整，仍未能获得满意的结果。

这一制备难题最终通过与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校保罗·布劳恩教授团队的合作得以解决。该团队开发了一种无定形硅的沉积技术，该技术能以极其缓慢且可控的方式，在已定型的三维结构表面及内部均匀沉积材料，从而大幅提高结构的折射率和光学性能。在这个技术的推动下，我们得到了一个具备完整带隙、性能较好的连续螺旋光子晶体。

虽然我们最终找到了可行的制备方案，但我依然对蝴蝶翅膀上天然形成的连续螺旋结构着迷不已。自然界历经漫长的进化，竟然能以自下而上的方式打造出如此精妙复杂的三维结构。这在我看来，堪称自然界最令人惊叹的奇迹之一。

微纳尺度下三维连续螺旋结构的扫描电子显微镜图像（彭斯颖博士提供）

Q：除了产生颜色的机制，您有计划探索蝴蝶翅膀其它独特的光学特性吗？

A：蝴蝶翅膀中的三维纳米结构展现出迷人的偏振特性。例如，连续螺旋结构本质上是具有手性的——手性结构会破坏空间反演对称性，这意味着在光-物质相互作用过程中，此类结构对左旋和右旋圆偏振光会产生不同的响应。这一特性可进一步引发圆二色性、偏振选择性发光等特殊光学现象。

手性光学在基础研究和实际应用中都有广泛的前景。在基础科学方面，它与量子信息科学、自旋电子学等领域密切相关；而在应用层面，手性光学被广泛用于屏下指纹识别、三维成像、生物传感、药物监测等领域中。

我的研究团队聚焦于手性光子学领域，研究方向涵盖两大核心：一是本征材料手性，其源于晶体的本征不对称性、外部应变或外加场；二是结构手性，其由人工设计的几何结构产生。我们尤为关注光-物质耦合对“手性”的调控作用，其中一个主要研究方向是开发高效手性光源，包括圆偏振光发射器和手性激光器。为此，我们重点关注自旋极化激子与光学模式的产生及耦合机制，并探索通过谐振腔设计、强耦合机制以及电子/光子能带结构调控来增强这些效应的策略。最终，我们希望实现具有高偏振纯度、方向可控性及可调谐性的手性光源，这对于量子光学、传感以及显示技术的应用至关重要。

2025年彭斯颖研究团队发表以激子-极化激元手性设计为主题的封面论文

Q：您认为对蝴蝶翅膀结构的仿生研究，如何助力可持续环保型光学材料的开发？

A：我们日常用品中很多颜色是依赖重金属化合物产生的。与之形成对比的是，蝴蝶翅膀中的结构色，为研发可持续光学材料提供了一条极具潜力的环保途径。结构色源于材料亚波长尺度的结构对入射光的调控，使某些波长的反射、透射或散射增强，而其它波长被抑制，从而呈现出特定的颜色。

结构色具有极高的稳定性，且能调节色彩饱和度，因此在众多应用场景中备受青睐。例如，这种技术已在标签标识及产品防伪等场景中得到实际应用。更妙的是，纳米结构还能与其它功能性器件结合，打造出多功能系统，例如，彩色太阳能电池，将能量收集与建筑美学融合；还有彩色锂电池，通过颜色变化直观显示电量状态。

Q：您认为如何能更有效地将蝴蝶翅膀结构色机制的研究成果转化为工业应用？

A：纳米光子学这个领域已经有很多商业应用的案例。家用验孕试纸便是其中最典型的应用之一。它巧妙利用金纳米颗粒表面等离激元共振对周围折射率变化的极高灵敏度，使试纸根据人绒毛膜促性腺激素的有无，产生可见的颜色变化。

近年来，超表面技术堪称最具商业应用潜力的前沿科技之一。超表面是一种类似蝴蝶翅膀微纳结构的亚波长尺度人工功能结构，可以精准调控光的相位、振幅和偏振状态。更令人称道的是，超表面技术兼容互补金属氧化物半导体制造工艺，这使它在大规模量产方面具备显著优势。

实际上，最新一代的部分平板设备已经采用了超表面技术，利用超表面产生的结构光实现人脸识别。我觉得这只是纳米光子学在商业应用上的一个开始。随着虚拟现实应用中的空间计算向轻量化、可穿戴设备平台发展，对超表面等纳米光子学技术的需求只会持续增长。

Q：在传统上以男性为主导的光学领域，您认为女性科学家是如何凭借自身独特的视角和方法推动创新并做出重要贡献的？作为一名女性科学家，您所面临的机遇与挑战，和“破茧成蝶” 的蜕变过程有着怎样的相似之处？

A：我认为作为少数群体的经历能塑造出独特而宝贵的心态。女性科学家往往在科研生涯的早期，就学会了不盲目跟风、不刻意寻求外界的认可。这种心态有助于培养强大的内在判断力和方向感。她们在面对挑战时锤炼出的坚韧，也是一种非常重要的品质，尤其是在基础科学研究中，进展缓慢、不确定性极高的时候，这种韧性显得尤为关键。

我还发现，更为敏锐的观察力——尤其是对细微线索或微妙规律的观察力（这种观察力常被认为是女性群体的常见特质）——是开展高质量研究的关键。这种能力让人捕捉到那些看似微不足道却意义非凡的细节、看似异常却关键的数据，以及看似意外却具有突破的结果，这些都可能为学术研究开辟新路径。更广泛地说，高效处理多项任务的能力——神经科学研究表明，这一点常被认为是许多女性所具备的优势——在应对学术生涯中研究、教学与行政职责交织的多重挑战时尤为宝贵。

对我个人而言，“坚持与耐心”是最受用的两种品质——作为一名女性科学家，正是这两种品质支撑我完成了“茧化蝶”的蜕变，让我在漫长而复杂的项目中始终保持定力，这类项目就像“茧期”——缓慢、单调甚至令人沮丧，看不到一丝“光亮”；正是这两种品质，让我即便在结果尚且不明朗时，也能在探索的过程中寻得动力与意义。

彭斯颖攻读博士期间在加州理工学院卡弗里纳米科学中心的工作照

Q：在日常生活中，您是如何平衡科研事业与个人生活的？您在研究工作之余有什么爱好吗？

A：作为一位女性科学家，既要全身心投入科研，又要挤出时间陪伴家人，确实是一项极具挑战的任务。生完孩子后，时间变得支离破碎，生活充满变数，一度让我疲于应付。在我看来，高效的时间管理和强大的后勤保障，这两点缺一不可。

谈及时间管理，关键在于设定明确的优先级。必须为重要但不紧急的任务预留充足时间——这类任务很容易被眼前的紧急事务所挤占，却能真正推动长期进展。科研是一场马拉松，而非短跑。探索未知需要坚定不移的毅力；而这份探索往往漫长又偶尔令人沮丧，更需要一份“慢慢来”的耐心，若能保持耐心，也能从中寻得意义，乃至乐趣。

家庭责任无疑需要投入大量的情感与体力。能有一位给予支持的伴侣，还有帮忙分担育儿责任的大家庭，我感到非常幸运。正是他们的支持，让我得以全身心地投入到最重要的事务上。

在实验室之外，我在自然中收获极大的快乐。我住在杭州，很幸运能接触到兼具自然之美与历史韵味的徒步路线。这些徒步之行让我头脑清醒、精力充沛，而这极大提高了工作效率和激发了创造力。音乐是我生活中另一个重要部分。在加州理工学院攻读博士期间，我曾在学校管弦乐队演奏中音萨克斯。音乐拥有神奇的治愈力量，演奏时我能完全沉浸其中，仿佛整个世界都融入音乐之中。芭蕾课也让我领略了舞动与音乐的奇妙交融。在校期间我还参与创办了芭蕾舞社，校园内外的舞蹈爱好者汇聚一堂，共同演绎经典的芭蕾作品。这段经历给我留下了许多珍贵的回忆。如今最让我放松的方式，莫过于与女儿嬉戏玩耍。她那无尽的好奇心、创造力和活力始终是我的精神支柱与灵感源泉。她教会我要活在当下，用惊奇之心拥抱每个瞬间。

彭斯颖博士在加州理工学院表演芭蕾舞剧《睡美人》

Q：您引用诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼的名言——“唯有创造，方得真知”，是如何推动您在西湖大学的研究团队，在纳米光学材料领域的科研工作中不断探索前行的？

A：费曼的科学理念让我受益匪浅。“唯有创造，方得真知”体现了他对“真正理解”的深刻见解。在他看来，仅通过阅读、观察或死记硬背是无法获得真正理解的。唯有从底层亲自“做出来”，才有可能真正掌握。他还强调，若无法用直观方式解释某个概念——让没有数学背景的人也能理解——那说明你并未真正掌握它。

这是我始终提醒自己，也不断给学生强调的理念。在如今高度自动化的科研环境中，我们可以轻而易举地借助各种工具和“黑箱式”的方法生成大量结果，但往往未必真正理解这些结果是如何得出的，又意味着什么。费曼的思维方式促使我们不断追问：去深入挖掘问题的本质，并用简洁明了的科学信息传达出我们发现的精髓。

这一点在当今人工智能迅猛发展的时代显得尤为重要。当各类强大模型触手可及时，若不深入理解底层原理，我们就越来越容易被数据和结果牵着鼻子走。费曼的理念提醒我们：清晰的认知、直观的理解与主动的创造，始终应当是科学探索的核心。

西湖大学彭斯颖助理教授的研究团队

Q：回顾您成长为女性科学家的历程，您会给立志投身光学领域的年轻女性什么建议？“茧化蝶”的蜕变之美与坚韧又能如何启发激励她们在这个领域中穿越挑战、实现成长与自我发现？

A：从我成长为女性科学家的历程中，我想给立志在光学领域发展的年轻女性这样的建议：当你最初对某个学科萌生兴趣时，首先要花时间打磨你自己独特的表达风格与见解——也就是找到属于你自己的“声音”。之后，带着这种独特的思考与表达方式去探索，精准定位真正与你产生共鸣的研究领域。最后，主动让这份“声音”被听见、被接纳：先让同学们理解你思维的深度，而后获得实验室团队对你想法的认可，最终在整个科研界中，让这份独特见解赢得应有的关注与肯定。

更重要的是，这一段科研探索之旅恰似一场漫长且充满韧性的破茧成蝶。正是这种蜕变的美丽与韧性，能为你提供强大的灵感源泉。最初对某个领域的模糊兴趣，就像毛毛虫破茧前的蛰伏期；通过反复探索，这些零散的兴趣火花会逐渐汇聚成研究的“核心起点”——这个基础性坐标点将指引后续所有工作。科研如同破茧而出，处处充满挫折：初发表的论文可能显得生涩粗糙，做的首次报告甚至缺乏基本逻辑。但这些瑕疵并非缺陷——它们是你成长中不可或缺的蜕变印记，正如蝴蝶翅膀的强健，正源于它破茧而出时的奋力挣扎。享受种种挑战中“升级打怪”的快感，这份体验才是科研之旅的魅力所在，那份好奇或探索的微光，便化作你不断精进治学、于困境中坚守不辍、始终求索不止的不竭动力。在这个过程中，你的科研能力会日渐精进，科研品位会日趋成熟，最终会自然形成属于你的独特学术风格——那些独到见解、创新思维与学术贡献，恰似蝴蝶破茧后优雅展翅的姿态。

彭斯颖助理教授与导师哈里?阿特沃特教授、阿尔伯特?波尔曼教授等在2025年超材料会议上重逢

本期特邀通讯员

王勣：就职于西湖大学，翻译《透视教育时尚》（外语教学与研究出版社）、审校《光子之舞》（中信出版集团）等书。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02111-6