据中国激光杂志社网，于2025年07月14日报道，Harry Atwater教授是美国国家工程院院士，同时也是美国物理学会、材料研究学会、国际光学与光子学学会和美国国家发明家科学院的会士。他任职于加州理工学院，研究方向主要涵盖光与物质的相互作用，领域从量子纳米光子学、二维材料和超表面，到太阳能光伏和人工光合作用。他是纳米光子学和等离子光子学的研究先驱；目前担任美国能源部（DOE）太阳能燃料中心项目“液态阳光联盟”的主任，是加州理工空间太阳能发电项目的首席研究员。
Harry Atwater教授的研究奠定了等离子光子学和负折射率超材料的基础，同时他也为可调谐纳米光子材料和超表面的发展做出开创性贡献。他在光管理与高效太阳能电池设计方面亦属先驱。他是加州圣克拉拉光伏公司Alta Devices的联合创始人，该公司创造了目前单结太阳能电池、双结太阳能电池在1太阳辐照度（1 Sun）下的世界效率纪录以及太阳能组件效率的世界纪录。
ennifer Dionne：我是Jennifer Dionne，现在斯坦福大学担任材料科学与工程教授，并兼任放射学教授。同时，作为美国能源部国家量子信息科学中心Q-NEXT的副主任，我还在SLAC国家加速器实验室任职。今天非常开心可以采访Harry Atwater教授。Harry是加州理工学院工程与应用科学学部的奥蒂斯·布斯领导力讲席教授、霍华德·休斯应用物理与材料科学教授，以及“液态阳光联盟”（Liquid Sunlight Alliance）主任。更重要的是，Harry是我博士期间的导师，从科学到管理再到提案写作，是他带领我走上了科学研究的道路。今天，在Advanced Photonics 能源光子学专题的邀请下，我们非常荣幸能有机会与Harry探讨太阳能和热光子学的前世今生以及未来发展。
Jennifer Dionne：Harry，让我们从您的科学之旅开启今天的对话吧！是什么让您对科学产生兴趣，是什么引导您进入材料科学、物理学、光子学领域，您又是如何成为加州理工学院教授的？
Harry Atwater：这是一个子承父业的故事：我的父亲是一位物理学教授，我从小就觉得这是非常迷人和令人兴奋的职业，所以我追随了父亲的脚步。然而，真正让我走上这条道路的关键事件发生在我高中时期。那是1970年代中期，我们经历了后来被称为第一次能源危机的时期。我在宾夕法尼亚州长大，那里的冬天很冷。有一个月的时间，我们的学校无法供暖，学校不得不在冬季关闭了几个星期，因为热源是石油，而石油供应不足。当时还有汽油配给，取决于你的车牌号是奇数还是偶数。那段经历给我留下了深刻的印象，我发誓，如果有一天我有机会从事科学研究，我会努力做一些改善能源生产和利用的事情。
Jennifer Dionne：哇！我之前不知道您父亲是物理学教授，我也没意识到1970年代的能源危机如此严重——有汽油配给，人们还得根据车牌号来节约能源！那么，鉴于高中时期的这段经历，您在麻省理工学院（MIT）读大学时，是主修材料科学吗？您的求学经历是怎样的？
Harry Atwater：我学的是电气工程，但在MIT可以做很多你想做的事情。所以我既学习了材料学，也学习了物理学，并同时完成了电气工程的学习，然后在MIT继续攻读电气工程的研究生。我在研究生阶段的第一个项目是制造薄膜太阳能电池。当时，世界上光伏太阳能装机容量还不到1兆瓦（MW），不到现在的千分之一。因此，我的整个职业生涯见证了太阳能从初出茅庐到蓬勃发展的全部进展，这对我来说是一个真正大开眼界、令人振奋的事情。进入21世纪后，太阳能才真正爆发式地进入公众视野，当时全球制造太阳能光伏的能力和需求真正开始匹配，人们开始非常认真地对待它。在那段时间，作为一名科研工作者，我开始探索等离激元学（plasmonics）和纳米光子学（nanophotonics），真正研究光如何与亚波长尺度的世界相互作用——这也为如何操控光打开了一扇新窗口，它对我后来在光伏发电以及热能转换方面的工作产生了一定的影响。于是，我开始使用当时最好的材料——III-V 族化合物半导体制造超高效率的太阳能电池，并最终在1个太阳光强（1 sun）的运行条件下，创造了拥有最高转换效率的单结太阳能电池和组件，并以此为契机创立了一家名为Alta Devices的公司。尽管我们做出了效率非常高的电池，但对于砷化镓材料（gallium arsenide），更大的挑战在于降低成本。与之相对的是，硅太阳能光伏的成本下降得如此之快，以致砷化镓材料逐渐被市场淘汰，因此Alta Devices没有成为主导太阳能发展的国际企业。但从科学研究的角度看，我仍然对自己的工作感到自豪，即使十几年过去了，基于砷化镓材料转换太阳能材料的记录依然屹立。
在更深层次科学问题方面，我开始思考如何在所有维度和尺度上操控光。因此，我认为一个真正有趣并且我目前仍在积极关注的方向是：如何从看似非相干的辐射源，比如在一个发光偶极子（luminescent dipole）或一个热偶极子（thermal dipole）中，赋予其某种程度的相干性。我们都熟悉Jean-Jacques Greffet的开创性工作：当热偶极子耦合到碳化硅（silicon carbide）晶体表面传播的声子极化激元（phonon polaritons）上，能够形成“表面波”，然后通过渐变耦合辐射到自由空间。我们通常认为黑体辐射（blackbody radiation）在角分布上是朗伯型的，并且在光谱上是宽带的——而我们从Jean的工作可以学习到：对于热辐射和红外辐射，我们可以在其光谱和空间分量上对其进行操控，从而产生某种相干性。
Jennifer Dionne：这里有很多值得深挖的内容，我们或许能够围绕这个话题讨论几个小时！但我们还是回到之前关于太阳能的话题。我很好奇的是，您如何将博士期间制造太阳能电池的经验与您光子学的专长结合起来，如何想到将背接触（back-contacts）电极或者活性材料进行结构化设计的。我记得我做博士生时，您正在开创性地研究这些具有径向p-n结的纳米线太阳能电池。您提到了Alta Devices公司，我认为一些创纪录的效率本质上是通过在材料中控制光场来实现的。您能稍微谈谈光子学方面的进展，以及这些进展如何影响了太阳能光伏吗？
Harry Atwater：在我们设计光伏结构和器件时，有一个指导原则是细致平衡原理（principles of detailed balance），即辐射吸收和发射之间的通量平衡。如果希望让太阳能电池达到最高效率，直观的想法是尽可能多地在电池中俘获发光光子（luminescent photons），不让它们被重新发射出去。但细致平衡和辐射通量平衡原理告诉我们，在辐射极限下，发光发射过程是达到最高光电转换效率的必要前提——这最终成为我们在电池设计中采用的一个原则。我们通过外延剥离（epitaxial liftoff）来制造电池：就像从一张粘性标签纸上剥离一个标签一样，你可以剥离下一个薄膜电池。如果你把剥离下来的电池放在一个高反射的衬底上，光子就能以非常小的损耗被反射回来，然后被有效地提取，从而使电池的辐射效率最大化。我们最终能够证明这种发光提取过程（luminescence extraction）是决定电池效率的重要基础。此外，我们还证明了通过压缩光子发射的角分布可以提高太阳能电池的电压。这些奇妙的物理现象，让你感觉自己像是在与光子学的基本原理对话，它们也在回应你，你在太阳能电池的应用中还可以看到它们的作用，这非常令人兴奋。
Jennifer Dionne：您认为辐射通量平衡和光子设计原则在未来光伏电池中将如何发挥作用？或者，换句话说，您认为在目前已成熟商用的光伏电池基础上，有哪些核心领域可以进行创新和改进？
Harry Atwater：我认为这些原则可以在混合卤化物（hybrid halide）或有机-无机卤化物钙钛矿（organic-inorganic halide perovskite）材料中得到精妙验证，此类材料与砷化镓相似，具备极高的光电转换效率。技术专家们正努力克服这些电池的稳定性问题。值得一提的是，实验室中制备的样品可以展现出极高的转换效率，因此可以用这些材料来检验光子学的一些基本极限。事实上，如果稳定性问题（环境稳定性和耐久性问题）能够得到解决，这些材料将成为专家们所能创造出的最高效的电池。然而确保材料在环境中的稳定性，仍然是一个尚未解决的难题。我曾创办一家公司Calix Solar Energy，它最初致力于研发硅微线和纳米线电池。但我们意识到硅的成本将变得如此之低，下降如此之快，所以我们开始转型。Calix现在致力于研究钙钛矿/硅叠层（halide perovskite on silicon tandem）电池，试图进一步提高光电转换效率，目前正在小规模生产钙钛矿-硅叠层电池——其理念是将最广泛采用的材料（硅）与可能提供最高效率的材料（钙钛矿）结合起来。
Jennifer Dionne：您刚刚提到如今正在探索如何为非相干辐射赋予相干性。在我们深入探讨热光子和热光伏之前，我想知道这个概念与您正在进行的“液态阳光联盟”（Liquid Sunlight Alliance）工作之间是否存在联系，以及光子学如何推动新材料的制造？
Harry Atwater：“液态阳光联盟”是一个专注于研究人工光合作用（artificial photosynthesis）的项目，即模拟自然界通过氧化还原反应（redox reactions）直接创造化学燃料和化学物质的过程。不同于太阳能电池那样将电子提取到外部电路来驱动电力负载，开发人工光合作用装置的目标是模拟自然界收集阳光并产生新物质的过程。它的核心理念是基于氧化还原反应，用比自然界更高效的方式生产化学物质。我们知道，生物系统的效率极限在百分之几的范围，这是由于生物系统的第一目标是维系生命的延续，而非提高某种特定物质的转化效率。所以我们使用与光伏相同的半导体材料，原则上可以更高效地进行光能转化。目前研发的原型装置已经能将“水分解”或“二氧化碳还原为一氧化碳”的效率提升到20%。
Jennifer Dionne：真是太神奇了。您打算如何大规模生产这些光反应器（photoreactors）？
Harry Atwater：如果我们打算使用工程材料而非天然材料进行光化学反应，就要吸取光伏领域的经验教训。展望未来，“液态阳光联盟”将整合从吉瓦（GW）到太瓦（TW）规模的光伏领域取得的进步，并将这些光伏电极作为人工光合作用系统的基础，使人工光合作用系统扩展到非常大的规模。此外，我们还面临一些科学问题：如何有效地驱动反应？如何克服二氧化碳还原或水氧化所需的高过电势？这些仍然是光化学中悬而未决的挑战。在工程应用中，我们还面临如何解决材料的耐久性问题。当你进行氧化还原反应时，不想通过腐蚀或侵蚀装置本身来产生产物。因此，这些材料耐久性的一大挑战就是使用选择性催化（selective catalysis）来驱动你希望发生的反应，同时避免那些你不希望发生的反应。
Jennifer Dionne：没错。在我看来，利用光子驱动化学反应最有趣的地方在于：化学反应系统不再处于热平衡状态，你可以打开激发态路径（excited state pathways），从而获得选择性（selectivity），而这在只使用热能时是不可能实现的。
Harry Atwater：是的。顺便说一句，这又让我们回到了我们在等离激元学（plasmonics）领域的初期工作——小型金属粒子中的光局域化。如果你能利用光化学反应中金属粒子产生的热载流子，就可以接触到远离平衡的化学态。然而，这是一个巨大的挑战，因为热载流子的弛豫时间（relaxation times）在几百飞秒（fs）到皮秒（ps）量级。它们不像半导体中的带内吸收（inner band absorption）那种长寿命载流子。但想要研究热载流子，就需要深入到基本的时间和长度尺度——这是在亚纳米尺寸范围内，是真正属于纳米科学的舞台。我们共同的朋友和同事Emiliano Cortez（慕尼黑工业大学纳米技术科学家，致力于新型纳米材料的制备及其在能量转换、传输和储存中的应用研究）正在开展一些利用这类装置实现相对高效水分解的工作。我认为，如果我们能在这种短尺度上收集热载流子并延长其寿命，这将会为这一领域带来巨大的变革。
Jennifer Dionne：这很巧妙，在某种程度上可能类似于您在光伏领域的工作。我非常欣赏“液态阳光联盟”和您实验室的工作结合了金属和半导体两者的优势，并利用不同材料接触点之间的协同效应来驱动真正高效的反应。
Harry Atwater：正如我们从光伏例子中了解的，半导体已经相当高效，一些材料现在也发展得相当成熟，所以这绝对是可以利用的。并且对于硅和钙钛矿来说，它们的价格也很便宜。
Jennifer Dionne：我想谈谈您与Eli Yablonovitch教授在热光伏（thermal photovoltaics, TPV）领域的合作研究，这项工作旨在利用那些可能作为热量损失掉的较低能量光子，将它们转化为有用的能量形式。也许您能向我们介绍一下热光伏是如何工作的，您在该领域的研究，以及您认为未来的前景如何？
Harry Atwater：热光伏指的是使用光伏（photovoltaic）电池，注意不是太阳能电池（solar cell），来收集来自红外热源的光子。这些光子的来源可以是一个太阳炉（solar furnace），也可以是一个燃烧过程——任何能产生红外光子的东西。我认为，Eli做出的主要贡献是认识到：砷化镓材料在太阳能电池中发挥的作用，同样适用于热光伏。那么，热光伏的关键就是设计尽可能高效的光子回收结构，使它们能充分且非常高效地被半导体材料吸收。所以这是一个非常有趣的研究方向。我们曾短暂地保持过记录，现MIT有一个小组保持着最高效热光伏器件的记录，其效率已经攀升到与光伏器件相同的百分之二十几或三十几的范围。
Jennifer Dionne：您提到未来热光伏可以将任何红外热源转化为再生能源，那么工厂中产生的工业废热是不是也能充分利用起来？除此之外，这项技术还会在哪些领域产生应用？
Harry Atwater：这是个有趣的问题。我想我们的加州理工学院同事兼前合作者Brendan Kayes已经进入工业界，他正在与Antora Energy合作。他们的理念是，热量可以像电池中的电子一样被储存起来，一旦你将热量储存在某种高热容量介质中，你就可以利用热光伏将其转化回电能。他们的方案是使用一个高热容量的液态金属或熔盐作为热源，将其加热到相对较高的温度，然后高效地从该热源中提取光子，即使在太阳下山后也能按需提供光伏发电。
Jennifer Dionne：这完美地引向您在一开始提到的一个话题——热光子。所以您是否思考过如何高效储存并按需释放热量，以及这如何与光子学中控制热辐射的原理相关联？
Harry Atwater：回过头来重新审视Jean-Jacques Greffet指出的现象：固体中的热光子或热偶极子可以耦合到传播波中，然后产生空间相干性，它们可以被衍射、反射或引导，就像来自原始相干源的波一样。那么，实现这一点的一种方法是让吸收体变成谐振腔（resonators），即具有红外谐振频率的光学谐振腔。这样一来，光谱分布就不再是普通黑体那种具有单位发射率的宽谱分布，而是变成了一个光谱更窄的源。一旦有了窄带源，你就可以确定一个特定的波长和波矢，用于传播波。尽管这些热偶极子彼此之间是非相干的，但当它们沿着一个结构被引导时，它们本质上具有自相干性。我们可以将光耦合到表面波，也可以将其再次耦合出来。基于这样的思路，我们目前正在探索使用“外部太阳能聚光器”（external luminescent solar concentrator）的装置（比如使用阳光照射量子点），将量子点发射的光耦合出来。尽管所有的量子点彼此是非相干的，但如果将它们耦合到一个表面模式中，那么每个量子点的光子都能相干地耦合到远场，从而以一个特定的角度耦合输出，然后被一个光伏电池接收，从而实现聚光——这是一种超越过去建造的波导聚光器的新型聚光器。
Jennifer Dionne：当您谈论热光子时，您最关注的是哪个波长范围？在考虑光波长的同时，控制热辐射的波导或谐振腔的空间尺度是否同样需要关注？
Harry Atwater：红外光子的波长的范围从700或800纳米，一直延伸到10或20微米。但如果你考虑地球表面300 K的黑体光谱，其峰值在8~14微米之间——所以当我想到热红外时，我指的是大约8~14微米这个范围。随着全球变暖，生活在温带和赤道地区的人们亟需空调制冷，这个领域将会变得非常重要。我们可以尽可能利用辐射冷却（radiative cooling），将我们的城市从“热岛”转变为凉爽区域，这将是一个巨大的挑战。为此，我们需要高效地提取热量，并运用类似原理回收和再利用那些原本难以处理且吸收效率相对较低的废热。
Jennifer Dionne：能否为那些刚接触该领域的听众解释一下，什么是辐射冷却？您能再补充一些背景和观点吗？我认为这是一个非常独特的概念。
Harry Atwater：我们在斯坦福的同事范汕洄几年前指出：就像太阳向太阳能电池辐射能量一样，我们可以从地球表面向寒冷的太空背景辐射能量，从本质上讲是一种能量转换。这种能量转换可以是相对于当地背景环境的局部制冷，也可以利用发射出的光子来产生电流。
Jennifer Dionne：是的。而且我记得范汕洄用这个方法点亮了一个LED。
Harry Atwater：我认为真正的机会在于无需任何其他主动或移动部件的纯热辐射冷却。随着全球变暖，世界各地城市的不断扩张，如果我们能通过设计新型材料实现规模化的热辐射冷却，那将非常有前景。
Jennifer Dionne：当您思考这些用于控制热辐射或实现辐射冷却的材料时，需要哪些类型的材料？有没有办法开始将这些材料纳入未来的城市建筑或工业设计中？
Harry Atwater：当然，有一些简单的想法。当朱棣文担任能源部长时，他著名的建议是让英国女王把白金汉宫的屋顶涂成白色，女王礼貌地拒绝了。我想这与宫殿的美学和历史条件有关，但从辐射传热的角度看，那是正确的做法，因为这样可以反射太阳光。而且白色涂料在红外波段也非常“黑”，它能非常有效地发射热光子，同时实现低于环境温度的冷却。所以，我认为这是一个有趣的方向，去研制用于屋顶、道路、车辆表面涂层或各种住宅的材料，使我们能够操控热辐射并节约能源。一个相当有趣的想法是，仅通过被动热辐射冷却所散发的能量，可以媲美一块中等效率的光伏板产生的能量。举个例子，假设一块太阳能板收集阳光，产生的电力驱动一台空调，将其与一块同样大小的辐射冷却板进行比较，两者可以提供大致相同的冷却功率——这非常有趣，因为辐射冷却板要简单得多。
Jennifer Dionne：面对可持续发展的问题，我认为很多都归结为材料领域的进步。展望可持续性发展的未来，无论是在您开创的光伏、热光伏、人工光合作用领域，还是在碳捕集领域，您认为哪些行业对材料的进步和新材料的开发需求最为迫切？同时，您认为哪些行业是最大的“蓝海空间”，可以让进入该领域的人深入探索并享受发展红利？
Harry Atwater：首先，材料领域就像一场流动的盛宴：总会不断涌现出令人兴奋的新材料。我现在就在研究一些让我着迷的新材料，我不知道它们有什么用，但研究它们确实充满乐趣。我想说，从我在太阳能、热能和碳捕集领域工作的经验中得出的一个经验是，“可扩展性”（scalability）必须是一个相当重要的考虑因素。通常在研究早期，相对容易判断某个东西是否能够扩展到太瓦（TW）规模，或者是否能用这种材料覆盖世界上很大一部分的屋顶，这可以指导你思考下一步的方向。我现在对一些打破光子传输互易性的材料着迷，例如洛伦兹互易材料（Lorentz reciprocity materials）。它们打破了我们关于光子如何传播的常规认知。我不确定这些材料最终会在哪些应用领域落地，但它们肯定值得思考。
Jennifer Dionne：我的理解是非互易材料可以破坏吸收率和发射率之间的平衡，并以此为基础创造出更高效的器件。
Harry Atwater：是的，这是范汕洄15年前就预测过的现象。最近我们做了一些实验，首次成功证明了这种所谓违反基尔霍夫定律的材料，能够展示出吸收和发射之间的非互易性。我们首先在窄带实现了这一点，然后在长波红外波段实现了更宽带的非互易性。
Jennifer Dionne：您认为开发非互易材料的一个困难挑战是什么？是磁场的结合，还是时变场？要打破互易性需要克服哪些挑战？
Harry Atwater：有几种典型的方法可以实现非互易性：首先，可以通过施加磁场来打破互易性和时间对称性（如法拉第旋光器）；其次，可以通过使场随时间变化来实现，这样当信号返回时，其波形、强度和振幅等与开始时不同；或者通过使用能够进行频率转换的材料进行光参量控制。通常情况下，我们必须以某种方式对材料做功，才能获得非互易性。一个例外是具有自身内建磁场的材料，它可能是未来实现非互易性的新兴研究方向。
Jennifer Dionne：最后一个问题：您在基础科学方面做出了令人难以置信的工作，同时也在转化应用方面成绩斐然，我可能都数不清您创办了多少家公司——包括您提到的Aonyx和Alta，还有Captura，它正在从海洋中捕集二氧化碳。对于正在思考实验室成果转化的研究人员，您会给出什么样的建议？您如何将实验室的成果推向世界，交到最终用户手中？
Harry Atwater：首先，就像科学研究本身，成果转化不会自动发生，它需要一个充满激情的执行者，一个愿意去做这件事的人——这可能是最重要的事情。第二，是确信世界上有人关心这件事，并且这个人足够在乎，愿意在经济上投资你，推动它跨越研发阶段。若具备这两点，那么便成功大半。最后，需要一位专业的CEO为你指明正确的商业化方向，并真正促成产业化落地。这三件事很重要，但一切都始于我们从事科学研究时的热情——我们要将类似的激情投入到转化应用上。
Jennifer Dionne：谈到激情，您能简单谈一下未来50年最让您兴奋的科学方向吗？
Harry Atwater：我认为“光子”会继续带来惊喜。我认为关于相干性和非相干性之间“灰色地带”的问题是一个潜在深奥而广阔的课题。首先，大多数光源是部分相干的，我们可以探讨它们的性质。其次，我们还可以关注光子的时间相关性（temporal correlations），研究那些不仅在空间上相干，而且在时间上相干，并具有时空相干性（spatial temporal coherence）的东西。所以我认为这是未来一个非常有趣的方向，而且还有大量的基本原理性的问题需要攻克。
Jennifer Dionne：非常感谢。您还有什么需要补充的吗？
Harry Atwater：最后，我想在这里感谢我的搭档们。我非常感激可以和包括你在内的许多杰出人才共事，你们激励着我，正是这一切成就了我所做的工作。几乎所有伟大的事情都发生在小团队中，我们的工作很少是单打独斗，感谢你同我历久弥坚的伙伴关系。
Jennifer Dionne：太棒了，完全同意！我认为科学的魅力在于我们能够彼此协作，共同攻克具有挑战性的问题，并共同为世界带来有益的进步。非常感谢您，Harry！
特邀采访人简介
Jennifer Dionne是斯坦福大学材料科学与工程教授，并兼任放射学教授。她还是Chan Zuckerberg生物中心研究员、美国能源部国家量子信息科学中心Q-NEXT副主任，以及初创公司Pumpkinseed的联合创始人，该公司致力于开发量子传感器以优化免疫系统。作为纳米光子学领域的先驱，她热衷于开发能够以纳米级分辨率实时观测和控制化学与生物过程的方法，重点关注全球健康和可持续发展领域的重大挑战。她的研究包括：开发了无需培养即可检测病原体及其抗生素敏感性的方法；无需扩增即可检测并对核酸和蛋白质进行测序的方法；以及以原子级分辨率对光驱动化学反应进行成像的新方法。
