作者: 张双虎 来源: 中国科学报 发布时间:2023/2/27 9:03:41
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挑战科学前沿的“时空极限”
——记国家重大科研仪器研制项目“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”

▲飞秒-纳米时空分辨光学实验系统。

▲团队合影。

受访者供图

■本报记者 张双虎

不论是体育赛事还是科学探索,挑战极限一直是人们的梦想。在国家自然科学基金的支持下,中国科学院院士、北京大学教授龚旗煌团队长期致力于挑战科学前沿的“时空极限”研究,助力人们不断拓宽认知的边界。

“我们就是要在时间和空间上追求极限。”龚旗煌告诉《中国科学报》。在国家重大科研仪器研制项目“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”的支持下,该团队成功研制出高时空分辨光电子成像系统。它可让人们在纳米(10-9米)量级(空间)和飞秒(10-14秒)量级(时间)上看清纳米尺度结构及其时间演化,同时具备能量和动量分辨能力。该系统将推动等离激元光子学、量子材料、半导体材料等领域及其相关交叉学科在基础和应用研究方面的革命性发展。

从“零”起步

当前,光信息处理、光显示、光探测传感等领域的技术迭代更新,光电功能器件向超高密度、超快速度、超低功耗方向不断发展,研制基于新型材料的复合微纳器件成为一大趋势。这就要求人们弄清微纳米尺度下的光电超快动力学过程。然而,长期以来,我国一直缺乏在相关领域的研究积累。

“我们的目标是在空间和时间维度上,把分辨率做到极限(纳米量级和飞秒量级),并将二者结合起来,在极小的空间尺度下看清极快的变化过程,从而拓宽人们认知的边界。”龚旗煌说。

人眼能分辨出100微米大小的物体,借助光学显微镜能看到200纳米大小的物体,而电子显微镜则能让人看清0.1纳米大小的物体。有了这样一套系统,就像拥有一台10飞秒分辨率(比高速相机快1000万倍)的特殊超高速相机,同时具备电子显微镜的空间分辨能力,可以看清楚小于10纳米的结构。

2016年,在国家重大科研仪器研制项目的资助下,龚旗煌团队开始研制“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”。

项目伊始,团队面对的是一间400平方米空旷实验室的改造任务。“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”对实验条件要求极高,细小振动、微弱电磁干扰都会影响实验精度。为达到要求,团队精心测量实验室振动、电磁场分布及变化,反复讨论抗振、抗电磁干扰方案。最终,他们设计出一套主动电磁屏蔽及减少振动的方案,经精确测算后才交付施工。

对团队来说,解决实验室装修难题只是万里长征的第一步。在项目执行过程中,从系统设计与定制、搭建与优化、获取信号,到仪器安装、仪器测试,团队都需要不断摸索、反复推敲。

“这是一种全新的测量手段,从设计方案到技术实现都从未做过,因此我们要从零开始探索。”龚旗煌说。

攻坚过“坎儿”

“这个系统以前没人做过,国际上也没有经验可供借鉴,所以我们要不断尝试,很多时候都是在试错。”团队成员、北京大学教授刘运全对《中国科学报》说,“有时候觉得好像都做对了,但就是得不到理想信号,只能一遍遍检查、优化,钻进每个细节中反复调试,这样才能获得最优指标。”

遇到的考验多了,团队形象地将问题和考验称作“坎儿”,解决一个难题就是过一个“坎儿”。

“每个‘坎儿’都是一次挑战,每个‘坎儿’都不容易过,但要实现零的突破,就必须过无数个‘坎儿’。”团队成员、北京大学教授级高工杨宏补充说。

该系统的核心模块之一是超快极紫外光电子显微镜。团队首先面临产生高通量极紫外光源这个“坎儿”。研究人员基于气体高次谐波产生技术,从理论模拟、实验验证到模块设计,紧密合作,反复优化参数,将谐波转化效率提高了两个量级以上,最终产生了满足要求的超快极紫外光源。

极紫外光源和光电子显微镜耦合难度极大,是另一个“坎儿”,涉及极紫外光在真空中传播、偏转、合束、聚焦等一系列技术难题。团队成员充分论证,提出了特制微孔极紫外闪烁体光阑方案,解决了真空差分、极紫外光监测、合束以及时间和空间重合等技术挑战,建立了紧凑、稳定的极紫外束线,最终成功研制出国内首台基于气体高次谐波的超快极紫外光电子显微镜。

类似的“坎儿”还有很多,团队成员养成了细心的工作习惯和严谨、细致、求真的科学精神。他们一致认为,实现极限时空分辨,一定要坚持、再坚持一下,细致、再细致一点儿。

越“坎儿”无数后,研究人员总结出一些有趣的现象——很多重要突破都是在深夜或周末取得的。因此,在技术攻关的关键节点,团队成员坚持利用周末或节假日继续做实验。

“有时候太累了,我们宁可在周五休息半天,也要在周末打起精神加油干。”杨宏说。

这个神奇的“周末出成果”规律主要是因为这些精密科学仪器最怕各种细微扰动。北京大学物理楼离地铁4号线很近,夜深人静地铁停止了运行,此时正是研究人员进行实验的黄金时段。要验证一些“极限数据”“极限指标”时,研究人员经常选择半夜开工。

挺进“第一梯队”

“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”能看清材料的表面形貌,实时观测电子的动力学过程,因此是半导体材料、表面物理等领域一个新的研究手段。该系统能揭示激发态载流子与激子、声子、缺陷等相互作用的过程,可实现飞秒等离激元场的时空演化成像、拓扑缺陷的时空表征、微纳米等离激元器件的功能表征及操控、金属-半导体和二维材料中热载流子的动力学特性等研究。

团队研制出国内首台基于气体高次谐波的超快极紫外光发射电子显微镜,并对空间、能量和时间分辨进行了表征,性能指标达到了国际领先水平。极紫外光发射电子显微镜的成功研制,为介观光子器件和微纳米尺度下超快光物理研究提供了先进平台,也为人类探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了有力的研究工具。

目前,“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”兼具纳米-飞秒极端时空分辨功能,已在相关学科研究领域展现出强大能力。借助该系统,他们在等离激元金属纳米结构、半导体异质结构、钙钛矿材料等多种体系的载流子动力学,以及冰单晶微纳光纤光力学表征等领域已取得一批重要研究成果。在项目研制期间,团队在《科学》《自然》等期刊发表论文160余篇;围绕项目研制过程、重要技术难点及突破,申请专利25项,其中20项专利已获授权。

“我们已经进入该领域的第一梯队。”龚旗煌说,“经过这几年磨炼,团队有了很好的技术积累,利用该系统取得了一流成果。项目组正不断对其性能进行提升,完善仪器管理,并对国内外用户开放,提高大型仪器使用效率,服务科技创新和社会需求。”

《中国科学报》:该仪器目前在国际上处于什么水平?下一步,团队的研究重点或该领域的发展方向是什么?

龚旗煌:这是世界上最先进的极限时空分辨实验系统之一,国际上仅有少数几个国家在研制相关设备。这是目前国内唯一一套系统,其部分指标已经达到了国际领先水平。

下一步,我们将继续专注于基础研究,为前沿探索、为人们拓宽知识边界提供支撑。比如,在特殊二维材料、纳米材料新物态或新变化过程研究中,让人们在新的视野下重新认识物质的变化,拓展对材料、凝聚态、物理、光学的认识。在应用方面,我们为一些小尺度器件,比如芯片检测、诊断,高精尖科学器件检测、性能表征等提供支持。

《中国科学报》:从事科学研究,尤其是尖端科学仪器研究,需要具备哪些品质?

龚旗煌:这套系统从方案、路径到工艺都需要我们研究人员自己去探索。因此,一是要耐得住寂寞,能承受长时间不出成果,甚至根本没有结果的压力;二是要有吃苦精神,做这样一个系统很累、很辛苦,实验关键期加班加点、连轴转的情况很常见;三是必须有创新精神,前人没做过,要相信自己;四是研制大型科研设施,没有人可以包打天下,因此不但要有很高的个人素质,还需要有非常好的合作精神,协同攻关完成任务。

《中国科学报》:科学基金对该项目起到了怎样的作用?

龚旗煌:在国家自然科学基金的长期稳定资助下,这支队伍得到了很好的锻炼,有了很好的积累。我们不但取得了一批前沿成果,也培养了一批后备力量。

《中国科学报》 (2023-02-27 第4版 自然科学基金)
 
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