作者:李晨阳 卜金婷 来源: 中国科学报 发布时间:2023/1/30 9:13:58
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打造低维量子物质研究领域“航母”
——记国家重大科研仪器研制项目“低维量子物质非平衡态物理性质原位综合实验研究平台的研制”

 

▲时间分辨角分辨率光电子能谱。

▲薛其坤(左一)与学生讨论仪器项目实验数据。

项目组供图

■本报记者 李晨阳 实习生 卜金婷

“这就好像一艘航空母舰,把研究低维量子物质需要的各种技术和设备集成在一个平台上。有了它,我们就能攻克在这个领域研究中盲人摸象的问题,从更高、更全面的站位开展探索。”中国科学院院士薛其坤用这样一个比喻,来形容“低维量子物质非平衡态物理性质原位综合实验研究平台”的特点和作用。

低维量子物质是目前物理学研究内容最丰富的领域之一,也是凝聚态物理当前最重要的课题之一。对这个领域的深入探索,将直接推动信息和能源等技术的发展和变革。

近年来,在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目的支持下,薛其坤带领团队以解决重大科学问题为目标,发展相应的精密实验技术,打造了世界上第一个“低维量子物质非平衡态物理性质原位综合实验研究平台”,为相关领域的研究打开了新局面。

打造一个前所未有的平台

低维量子物质体系包括半导体异质结界面的二维电子气、石墨烯、铜基和铁基超导体、拓扑绝缘体、氧化物界面等。这些体系展现了自然界中最神奇的量子态。对这个领域的探索,很有可能推动信息、清洁能源、电力和精密测量等技术的重大革新。

然而,这类体系的研究中除了需要精密的实验手段外,更加棘手的是,它们在物理上可以简化至厚度为1到几个原子层/单位原胞的准二维体系,几乎无法在空气环境下直接进行研究。这对技术手段提出了极高的要求。

在此之前,国际上并没有类似的能够全面测量低维量子物质物理性质的系统。要想实现零的突破,就只能摸着石头过河。

依托国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目,研究团队将原子尺度上精确控制低维材料生长的技术与高灵敏实验探测技术结合,发展出了原位研究低维量子物质动力学行为的精密尖端实验技术。

此前,人们对电子结构的拍照测量大多是静态的。现在,科研人员可以在飞秒水平上拍摄动态过程。

“就像从照片到视频的飞跃。”薛其坤对《中国科学报》说,“这让我们可以捕捉一种材料在瞬间发生的变化,特别是从一种性质转化为另一种性质时的变化。比如,我们知道一些材料在特定温度下电阻会突然消失,这个变化发生时材料内部发生了什么,我们现在可以捕捉并研究它。”

“一种材料从非超导状态变成超导状态、从非拓扑状态变成拓扑状态,变化过程是非常重要且非常有趣的。”项目组成员、清华大学物理系教授周树云说,“这些过程的研究还处于早期阶段。薛老师带领我们研制的仪器设备,对相关前沿科学问题的探索非常重要。”

作为一个“航空母舰”式的平台,“低维量子物质非平衡态物理性质原位综合实验研究平台”将超高真空极低温强磁场原位输运测量技术、超高真空低温原位局域电势测量技术、低温原位微波阻抗显微镜、原位微区和时间分辨角分辨光电子能谱技术等集合在一起,在每个维度上都保证了世界领先的测量精度,达成了“全而精”的目标。

“过去,我们对低维量子物质的探索就像盲人摸象,现在我们可以对低维量子物质的不同物理性质进行多方面研究,最终给出一个相对完整的画像。”薛其坤说。

迎难而上 不打折扣

这个项目于2015年1月立项,执行期5年。按照原计划,应该在2019年12月结项,但他们又延期了近2年。

其中一个关键难题,是把对材料物理性质的控制和探索进一步拓展到皮秒甚至飞秒的超快时间领域。

“我们在研发过程中,需要产生能量连续可调的深紫外探测光源,而且是一个在时间上非常窄的超短脉冲,脉冲的宽度要小于100飞秒。”周树云对《中国科学报》说,“为此我们需要采用一种国产KBBF晶体,但这种晶体产生的光源时域很宽,不能直接用到实验中,所以我们花了几年时间攻关,把光源压缩为一个特别短的脉冲。”

其实,早在项目进行到第4年的时候,他们的工作成果就已经很接近目标了。但这个数值总在一百零几上徘徊,并没有真正进入100飞秒以内。

“当时几位老师感觉,这个数字基本已经到头了,再往前突破的余地并不是很大。而且,达到这个水平,测量效果还不错。这个时候,一些畏难情绪和‘差不多’心态出现了。”薛其坤回忆道。

但此时,基金委的监理专家组却坚持必须达到100飞秒以内。在这种高标准、严要求下,周树云等人迎难而上,超额完成任务,最后达到了惊人的“84飞秒以内”。

“可见基金委设立的监理专家组,从科学和技术上给予指导和监督是非常有必要的。”薛其坤说,“专家组中的一些成员,平时也是关系很好的同行和朋友,但在这个时候,他们铁面无私、严格要求,敦促我们在技术上实现了飞跃和突破。”

薛其坤认为,这一生动案例体现了国家自然科学基金委如何从机制设计上保证项目的质量。

既打造成果也培育人才

国家重大科研仪器的研制不仅需要前沿的理论知识、精湛的技术水平,还需要不同团队之间密切的协作。

这个项目汇集了清华大学和中科院武汉物理与数学研究所的至少5个独立课题组。不同领域的科学家相互协作,产生了非常好的交流碰撞。

“薛其坤老师是一位经验丰富,也很有远见的科学家。他把我们大家集结在一起,让我们每个人都做成了过去做不到的事情。”周树云说,“不管是老师还是学生,在这个过程中都获益匪浅。”

目前在清华大学物理系做博士后的鲍昌华,曾经在项目核心问题的解决中作出重要贡献。他还凭借这些成绩,拿到了清华大学博士研究生特等奖学金,这是作为清华学子的最高荣誉之一。

“这个项目贯穿了我整个博士阶段的学习和成长,对我来说具有非常重要的意义。”鲍昌华说。

在项目研制中,他曾遇到很多困难。比如在寻找转瞬即逝的超快电子信号时,需要调节两束飞秒激光不仅在空间上实现微米级精度的完美重合,还要同时保证它们在万亿分之一秒的超快时间尺度上重合,非常具有挑战性。

鲍昌华尝试了很久,一直无法找到这一信号。后来在老师的建议下,他从根本的物理原理出发,把每个细节都做到极致,最终成功找到了信号,拍出了第一段电子结构在万亿分之一秒时间尺度上的动态“电影”。

“这个项目的很多关键技术指标都处于国际领先水平,对我们每个人来说,都是很大的挑战,也是成长的机遇。”他说,“我在这个项目中,完成了从一名学生到一名基础科学研究工作者的蜕变。”

“国家重大科研仪器研制项目支持的这种联合攻关机制,更好地磨炼了科研人员的本领,锻造了他们直面挑战的精神。”薛其坤说,“在这个过程中,我们不仅打造出了世界上唯一的实验平台,也培养出了一批优秀的年轻科研工作者。”

《中国科学报》:当前科研范式正在发生深刻变革,这一点在综合实验研究平台的研发上得到了怎样的体现?

薛其坤:科研范式的变革取决于不同时期的科学发展阶段。我们当前的使命是努力实现高水平科技自立自强。我们在这个过程中遇到的一个突出问题,就是科学仪器自主化程度不够,特别是高端仪器比较依赖进口。

国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目,支持高端科研仪器研发,这本身就是科研范式变革中的应有之义。而且,在这样的项目组织下,不同团队、不同领域的人才能够更有效地联合在一起,协同攻坚克难,这也是一种新的范式。

《中国科学报》:未来对于综合实验平台的应用与推广,团队有什么计划与期待?

薛其坤:第一,按照国家、基金委的要求,只要是省级单位、兄弟级部门需要的某些技术,我们会在国家允许的知识产权范围内,毫无保留地服务国家其他部门、单位和个人。

第二,我们现在有很多想法,除了自己的团队利用好这些设备器材外,我们乐于与其他个人、单位甚至国外同行,针对一些重大科学问题开展合作。

《中国科学报》 (2023-01-30 第4版 自然科学基金)
 
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