光子晶体之父约翰·乔安诺普洛斯：超越理论，赋能未来的五十年创新遗产
2025年8月17日，享誉全球的凝聚态物理学家、麻省理工学院（MIT）的弗朗西斯·赖特·戴维斯物理学教授及士兵纳米技术研究所（ISN）主任约翰·乔安诺普洛斯（John “JJ” Joannopoulos）不幸逝世，享年78岁。乔安诺普洛斯教授在MIT耕耘逾半世纪，不仅在光子晶体领域取得了开创性突破，更将科学发现转化为能源、医疗和国防等广泛应用，深刻改变了我们对光与物质相互作用的理解。他的卓越贡献，加之其无与伦比的育人情怀和深远影响力，共同铸就了一段非凡的科学传奇。
光子晶体：理论与应用的里程碑
凝聚态物理的早期探索
约翰·乔安诺普洛斯于1947年出生于纽约市，自青少年时期便立志成为一名物理学教授，这份对知识的渴望与对教育的热情贯穿了他的整个职业生涯。1968年，他获得加州大学伯克利分校物理学学士学位，并于1974年在此取得博士学位。同年，他加入了MIT的教职团队，尽管当时在MIT获得长期职位被认为是极具挑战性的。乔安诺普洛斯教授迅速组建团队，投身于理论凝聚态物理，特别是“第一性原理”（ab initio physics）的研究。这项工作旨在仅基于原子序数，构建理论模型以预测材料的电子行为和结构，为理解和设计各种材料提供了坚实的基础。
开创光子晶体新纪元
20世纪90年代初，受加州大学洛杉矶分校物理学家伊莱·亚伯隆诺维奇（Eli Yablonovitch）关于材料如何影响光子行为的初步研究启发，乔安诺普洛斯教授的研究方向发生了重要转变。他敏锐地看到了其“第一性原理”方法与光子行为研究之间的内在联系。他与学生们将这种方法应用于预测不同类型材料中光子的基本行为，从而率先开创了光子晶体领域，深入探索如何通过纳米尺度操纵材料来控制光的传播行为。1995年，乔安诺普洛斯教授合著了该领域的第一本教科书，为新兴的光子晶体学科奠定了理论与教学基石，推动了其在全球范围内的发展。
“完美镜面”与光线操控的革命
1998年，乔安诺普洛斯教授及其团队颠覆了一个长达百余年的光学假设。传统理论认为，光线照射到多层折射结构时，反射角度范围有限。然而，他们的研究揭示，如果结构层遵循特定的设计标准，整体结构可以反射来自任何角度的光线，这一发现被称为“完美镜面”。这一突破性洞察不仅拓展了光学理论的边界，更催生了新的应用。如果将这种结构卷成管状，形成的空心光纤便可作为完美的导光介质，光线在其中传播时能够完全反射，几乎没有散射损失。这一原理为后续技术创新打开了大门。在Killian奖讲座上，他生动地阐释了光子晶体的基本概念以及其团队如何巧妙地弯曲和扭曲入射光线。
从实验室到生活：技术变革的推动者
光学手术刀：医疗领域的精准革命
基于“完美镜面”和光纤导光管的原理，乔安诺普洛斯教授及其团队开发出了首个高精度“光学手术刀”。这是一种可安全操作的光纤，能够输送高度聚焦的激光，其精度和功率足以完成精密的医疗手术。他积极推动这项新工具的商业化，共同创立了Omniguide公司。如今，Omniguide提供的光学手术刀已在全球数十万例医疗手术中发挥了关键作用，标志着光子晶体技术在医疗领域的巨大成功。
无线能量传输的愿景
乔安诺普洛斯教授的创新精神远不止于此。他还在无线能量传输领域做出了卓越贡献。2006年，他与马林·索尔亚契奇（Marin Soljacic）和阿里斯泰德斯·卡拉利斯（Aristeidis Karalis）共同展示了如何利用磁场实现能量的无线传输，这一技术后来促成了WiTricity等公司的成立，致力于将无线充电技术推向商业应用。2007年，包括乔安诺普洛斯在内的团队，成功地实验演示了无线电力传输，为现代无线充电技术的普及奠定了基础。
纳米技术在国防与日常中的应用
2006年，乔安诺普洛斯教授接任MIT士兵纳米技术研究所（ISN）主任一职，并在此岗位上坚守了近20年。在他的领导下，ISN成为了跨学科合作的典范，他积极协调MIT教职员工、行业伙伴和美国国防部之间的合作，支持了轻量化装甲、超光谱成像、高效电池以及智能响应式织物等众多创新项目。这些研究不仅提升了士兵的作战能力和安全性，也预示着纳米技术在民用领域的广阔前景，例如健康监测纺织品等。
育人情怀与科学传承：一位“传奇导师”
MIT半世纪的教学与协作
乔安诺普洛斯教授在MIT超过50年的职业生涯中，不仅是一位杰出的科学家，更是一位深受爱戴的导师。他以慷慨无私和坚定不移的指导而闻名，尤其珍视与前学生和博士后的深厚友谊及合作关系。他的许多学生和博士后，如今已在全球各大高校担任教职，或在公共和私营部门担任领导职务。Yoel Fink教授评价他是一位“科学巨匠、鼓舞人心的领导者和沟通大师，拥有慷慨而充满爱的心”。他总是选择看到人们的优点，保持思想和心灵的开放，对他人关怀备至。
独特的教学风格与培养模式
乔安诺普洛斯教授的课堂教学亦是传奇。他的同事帕特里克·李（Patrick Lee）回忆道，乔安诺普洛斯教授能在开学第一天记住100多名学生的名字和面孔，并在第二天开始就直呼其名，贯穿整个学期。他鼓励研究生和博士后追随自己的想法，即便这些想法与他本人的观点相悖。正如帕特里克·李所说：“约翰不会培养出克隆人。他通过榜样、关怀和分享他的乐观精神，向他们展示了做科学的方法。我从未见过有人如此深受学生爱戴。” 前学生、普林斯顿大学天体物理学教授乔什·温（Josh Winn）表示，即使在他们的合作结束后，他依然感到是“乔安诺普洛斯学术家族”的一员，这个忠诚的群体遍布全球，甚至组织了会议来庆祝他的50岁、60岁和70岁生日。他无微不至的关怀和对学生潜能的信任，使得他的门生们不仅在学术上取得了卓越成就，更继承了他对科学的无限热情与人文关怀。
荣誉与遗产：照亮科学前行的灯塔
行业内外的广泛认可
为表彰其广泛影响和杰出贡献，乔安诺普洛斯教授被选为美国国家科学院院士和美国艺术与科学院院士，并同时是美国物理学会和美国科学促进会的会士。在他50多年的职业生涯中，荣获了无数科学奖项和荣誉，包括马克斯·玻恩奖（Max Born Award）和阿尼苏尔·拉赫曼计算物理奖（Aneesur Rahman Prize in Computational Physics）。在教学方面，他同样获得了MIT的布赫纳物理教学奖（Buechner Teaching Prize in Physics）和科学研究生教学奖（Graduate Teaching Award in Science）。
创新创业的典范
2025年，乔安诺普洛斯教授荣获了MIT的吉利安成就奖（Killian Achievement Award），该奖项旨在表彰MIT教职员工的卓越终身贡献。奖项引文特别强调了他对数代学生产生的深远影响：“乔安诺普洛斯教授是数代学生的传奇导师，激励他们在科学领域追求卓越，同时通过创业将实际利益回馈社会。” 他共同创立了六家基于其基础研究的衍生公司，并协助创建了数十家其他公司，推动了激光手术工具、无线电能传输、透明显示技术和光计算等广泛技术的发展。他获得了126项专利，并发表了750多篇同行评审论文，其科研产出之丰硕令人叹为观止。
精神财富的永恒流传
罗伯特·劳克林（Robert Laughlin），乔安诺普洛斯教授的第一批研究生之一，后来获得了1998年诺贝尔物理学奖。他深情地表示：“约翰确实是一位伟人，一位非常特别的人。每一个与他共事过的人都明白这一点。他就像给人们撒上了一种神奇的、具有变革性的魔尘，促使他们将清醒的每一刻都投入到创造新奇事物的工作中。” 乔安诺普洛斯教授的乐观、慷慨、开放以及永不满足的求真精神，不仅塑造了科学研究的格局，也深深感染了无数投身科学事业的年轻一代。他的遗产不仅仅是方程式和创新，更在于他所触及的生命、所启发的思想以及他带给每一个房间的温暖。他深远的影响力将持续激励着后世科学家，勇敢探索未知，以科学之光照亮人类社会的前行之路。
约翰·乔安诺普洛斯教授的逝世，是科学界的一大损失，但他留下的光辉遗产，将作为一座永恒的灯塔，指引着未来的探索者。他所开创的光子晶体世界，以及他所传承的育人精神，必将持续推动科技进步，为人类福祉贡献力量。他的家人包括妻子Kyri Dunussi-Joannopoulos，三个女儿Maria、Lena和Alkisti及其家庭。
