2月25日,，清華大學(xué)工程物理系教授唐傳祥研究組與來自亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）以及德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的合作團(tuán)隊在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實驗演示”（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究論文,，報告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的首個原理驗證實驗,。
基于SSMB原理,，能獲得高功率,、高重頻、窄帶寬的相干輻射,，波長可覆蓋從太赫茲到極紫外（EUV）波段,，有望為光子科學(xué)研究提供廣闊的新機(jī)遇?！蹲匀弧吩u閱人對該研究高度評價,，認(rèn)為“展示了一種新的方法論”，“必將引起粒子加速器和同步輻射領(lǐng)域的興趣”,?！蹲匀弧废嚓P(guān)評論文章寫道：“該實驗展示了如何結(jié)合現(xiàn)有兩類主要加速器光源——同步輻射光源及自由電子激光——的特性。SSMB光源未來有望應(yīng)用于EUV光刻和角分辨光電子能譜學(xué)等領(lǐng)域,?！痹撜撐囊唤?jīng)刊發(fā)，立即引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注,。
圖1. SSMB原理驗證實驗示意圖（圖片來源：《自然》）
圖2. SSMB原理驗證實驗結(jié)果（圖片來源：《自然》）
實驗中,，研究團(tuán)隊利用波長1064納米的激光操控位于柏林的儲存環(huán)MLS內(nèi)的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈（周長48米）后形成精細(xì)的微結(jié)構(gòu),，也即微聚束,。微聚束會在激光波長及其高次諧波上輻射出高強(qiáng)度的窄帶寬相干光，實驗通過探測該輻射驗證微聚束的形成,。微聚束的形成,，證明了電子的光學(xué)相位能以短于激光波長的精度逐圈關(guān)聯(lián)起來，使得電子可被穩(wěn)態(tài)地束縛在激光形成的光學(xué)勢井中,，驗證了SSMB的工作機(jī)理,。實驗示意如圖1所示，部分實驗結(jié)果如圖2所示。
SSMB概念由斯坦福大學(xué)教授,、清華大學(xué)杰出訪問教授趙午與其博士生Daniel Ratner于2010年提出,。趙午持續(xù)推動SSMB的研究與國際合作。2017年,，唐傳祥與趙午發(fā)起該項實驗,，唐傳祥研究組主導(dǎo)完成了實驗的理論分析和物理設(shè)計，并開發(fā)測試實驗的激光系統(tǒng),，與合作單位進(jìn)行實驗,，并完成了實驗數(shù)據(jù)分析與文章撰寫。
有望為EUV光刻光源提供新技術(shù)路線 引發(fā)國際社會重點關(guān)注
“SSMB光源的潛在應(yīng)用之一是作為未來EUV光刻機(jī)的光源,，這是國際社會高度關(guān)注清華大學(xué)SSMB研究的重要原因,。”唐傳祥告訴記者,。
在芯片制造的產(chǎn)業(yè)鏈中,，光刻機(jī)是必不可少的精密設(shè)備，是集成電路芯片制造中最復(fù)雜和關(guān)鍵的工藝步驟,。光刻機(jī)的曝光分辨率與波長直接相關(guān),，半個多世紀(jì)以來，光刻機(jī)光源的波長不斷縮小,，芯片工業(yè)界公認(rèn)的新一代主流光刻技術(shù)是采用波長為13.5納米光源的EUV（極紫外光源）光刻,。EUV光刻機(jī)工作相當(dāng)于用波長只有頭發(fā)直徑一萬分之一的極紫外光，在晶圓上“雕刻”電路,，最后將讓指甲蓋大小的芯片包含上百億個晶體管,，這種設(shè)備工藝展現(xiàn)了人類科技發(fā)展的頂級水平。荷蘭ASML公司是目前世界上唯一的EUV光刻機(jī)供應(yīng)商,，每臺EUV光刻機(jī)售價超過1億美元,。
大功率的EUV光源是EUV光刻機(jī)的核心基礎(chǔ)。目前ASML公司采用的是高能脈沖激光轟擊液態(tài)錫靶,，形成等離子體然后產(chǎn)生波長13.5納米的EUV光源,，功率約250瓦。而隨著芯片工藝節(jié)點的不斷縮小,，預(yù)計對EUV光源功率的要求將不斷提升,，達(dá)到千瓦量級。
“簡而言之,，光刻機(jī)需要的EUV光,，要求是波長短，功率大,?！碧苽飨檎f,。大功率EUV光源的突破對于EUV光刻進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。唐傳祥說：“基于SSMB的EUV光源有望實現(xiàn)大的平均功率,，并具備向更短波長擴(kuò)展的潛力,，為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路?！?/p>
EUV光刻機(jī)的自主研發(fā)還有很長的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解決自主研發(fā)光刻機(jī)中最核心的“卡脖子”難題,。這需要SSMB EUV光源的持續(xù)科技攻關(guān),，也需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈的配合，才能獲得真正成功,。
攻關(guān)正當(dāng)其時 彰顯國際合作格局
清華SSMB團(tuán)隊從2017年4月開始SSMB原理驗證實驗的理論分析和數(shù)值模擬,。當(dāng)年7月21日，唐傳祥與趙午在清華組織召開首屆SSMB合作會議,，牽頭成立了國際SSMB研究組,，聯(lián)合中、德,、美等國家的科研人員,，開始推動包括SSMB原理驗證實驗在內(nèi)的各項研究。經(jīng)過四年攻關(guān),，SSMB研究組取得了多項重要進(jìn)展,，成果領(lǐng)先世界。
“SSMB采用激光來對電子進(jìn)行聚束,，相比同步輻射光源常用的微波,，聚束系統(tǒng)的波長縮短了5到6個數(shù)量級。因此,，要驗證SSMB的原理,，需要加速器對電子縱向位置（相位）逐圈變化有非常高的控制精度，而德國PTB的MLS儲存環(huán)在這一方面最接近SSMB的實驗需求,。經(jīng)過老師們的前期聯(lián)系與溝通,，德國的HZB及PTB兩家機(jī)構(gòu)積極加入研究團(tuán)隊，與我們開展合作研究,?！比虆⑴c赴德實驗的清華大學(xué)工物系2015級博士生鄧秀杰介紹說。
從2017年始,，清華團(tuán)隊成員先后8次前往柏林,，參與從實驗準(zhǔn)備到操作的各個環(huán)節(jié)，經(jīng)過長時間的努力,，實驗于2019年8月31日取得成功,。鄧秀杰說：“SSMB涉及的物理效應(yīng)多，實驗難度大，團(tuán)隊經(jīng)歷了多次失敗的嘗試,，在實驗過程中不斷加深對物理問題和實際加速器運行的認(rèn)識,，直到最后將問題一一解決。無法進(jìn)行現(xiàn)場實驗的時候,，我們也沒有停止工作,，會就之前采集的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，定期召開工作會議,，以及進(jìn)行郵件或在線討論等,。”“此外,，SSMB實驗團(tuán)隊是一個國際合作團(tuán)隊,，從開始的磨合到逐漸熟悉理解再到漸入佳境，整個團(tuán)隊一致認(rèn)為我們真正實現(xiàn)了‘1+1》2’,，大家對未來進(jìn)一步的合作都充滿了信心,。”鄧秀杰補(bǔ)充道,。
破解“卡脖子”難題 清華勇?lián)負(fù)?dān)
“我國高校要勇挑重?fù)?dān),，釋放高校基礎(chǔ)研究,、科技創(chuàng)新潛力”,，2020年9月22日，習(xí)近平總書記在教育文化衛(wèi)生體育領(lǐng)域?qū)＜掖碜剷?，對高校加?qiáng)創(chuàng)新,、突破關(guān)鍵核心技術(shù)寄予厚望。
清華大學(xué)傳承弘揚“頂天,、立地,、樹人”的清華科研傳統(tǒng)，增強(qiáng)服務(wù)國家科技自立自強(qiáng)的責(zé)任感,、使命感和緊迫感,。深化科研體制機(jī)制改革，創(chuàng)新科研組織模式,。加強(qiáng)“從0到1”的基礎(chǔ)研究,，加快關(guān)鍵核心技術(shù)特別是“卡脖子”問題攻關(guān)。
瞄準(zhǔn)世界科技前沿,，對癥下藥,。此次清華大學(xué)工程物理系唐傳祥研究組與國際合作團(tuán)隊在“穩(wěn)態(tài)微聚束”（SSMB）這樣一個有望解決關(guān)鍵領(lǐng)域、需要破解“卡脖子”課題的地方下大力氣,，在前瞻性,、戰(zhàn)略性領(lǐng)域持續(xù)加大關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)創(chuàng)新力度,，著力增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,。
目前,，清華大學(xué)正積極支持和推動SSMB EUV光源在國家層面的立項工作。清華SSMB研究組已向國家發(fā)改委提交“穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置”的項目建議書,，申報“十四五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,。
清華大學(xué)工物系唐傳祥教授和HZB的J?rg Feikes博士為本文通訊作者，清華大學(xué)工物系2015級博士生鄧秀杰為第一作者,。該研究得到了清華大學(xué)自主科研專項的支持,。