记者走进中国科学技术大学西区的“红外-太赫兹自由电子激光装置”实验室，只见一间不大的辐射防护房里布满了各式设备，墙壁上安装了各种管道。房间拐角处那台3.5米长的设备就是世界上第一台紧凑型可调谐预聚束太赫兹激光器，用来“造”太赫兹光。

出了防护房，走向一楼，房间正中有一处深4.8米的“大坑”，里面矗立着一个长圆柱体——世界上首个冷壁贯穿大口径矢量强磁体。磁体下端集成了近场探测分系统。平时，研究人员就顺着窄窄的梯子下到“坑”里，利用太赫兹光源“诊断”量子材料的特性。

这正是由中国科学技术大学杰出讲席教授陆亚林带领团队研发的国家重大科研仪器研制项目“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”。2024年7月，该项目顺利通过国家验收。

回首研发历程，近日陆亚林在接受《中国科学报》采访时表示：“系统得以研制成功，主要归功于团队成员具备良好的多学科交叉素养、团结协作，以及勇于挑战、不惧失败的科学精神。”

陆亚林和太赫兹激光器。受访者供图

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从微波到太赫兹波

故事要从1997年说起。彼时，陆亚林在美国加州大学伯克利分校做研究，师从著名化学家Peter G. Schultz。他们共同致力于微波频段研究，并合作发明了世界上第一台非线性近场微波扫描探针显微镜，相关研究论文发表于当年的《科学》。

“微波的波长是毫米级，而我们要实现的是原子尺度成像，传统方法根本无法做到。”陆亚林解释，这项工作的核心价值在于克服了衍射极限，实现了对材料介电性质的无损、高空间分辨率、高灵敏度成像，为后续材料研究提供了强大工具。显微镜产业化后，被世界多个实验室广泛使用。

“如果将微波替换为太赫兹波，会怎么样？”陆亚林开始将目光转向波长更短的太赫兹波。

“太赫兹波是电磁波谱中一个特殊波段，介于微波和红外波段之间，频率范围在0.1太赫兹至10太赫兹，具有穿透性强、方向性好、安全性高等特性。微波和红外多年以前就有了成熟的应用，比如红外摄像头、红外体温计、微波雷达等，但很长一段时间里，太赫兹波还是一个尚未被完全认知和利用的波段。”陆亚林说，以至于在2015年前国际上有个很著名的术语，即太赫兹“空白”。

太赫兹“空白”存在的主要原因首先是缺乏稳定、高功率、可调谐的太赫兹光源和有效的探测技术。“可见光的光源有手电筒和激光，X光有X光管，微波有发生器，但太赫兹波没有这样的‘手电筒’。其次，太赫兹波的波长较长，很难实现纳米级别的空间分辨率。这就好比用粗大的毛笔写细小的字，技术挑战非常大。”陆亚林表示。

陆亚林想试试。他曾于2000年前后向美国国家自然科学基金会申请项目，希望研究关联氧化物材料在太赫兹波段的响应，但遭到了拒绝。“我想做在美国没做成的事。”2008年，他毅然回国。

2013年，陆亚林首次向国家自然科学基金委员会申请国家重大科研仪器研制项目，由于太赫兹光源的产生方案不够详细，未获得资助。此后几年里，他带领团队不断优化方案，大胆提出研制一台紧凑型太赫兹自由电子激光器，同时在探测终端，创新性地提出“双探针探测”新方法。更重要的是，经过阅读文献和不断思考，他找到了太赫兹波段对应的关键科学问题。

“功能材料中的绝大部分准粒子频率正好位于太赫兹频段，它们的精密观测需要‘看得见’（纳米分辨）、‘认得出’（全能段覆盖）、‘跟得上’（飞秒超快测量）、‘控得住’（多场多维度调控）。以太赫兹波作为探针，有望帮助我们分析和理解与准粒子相关的新奇物理和化学特性。”陆亚林说。

比如，超导、半导体、多铁、巨磁阻等都属于功能材料，它们是推动信息、能源、光电子等国家重大战略需求领域发展的坚实基础。

2016年11月，“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目终于获批。2017年4月，项目启动。

“咬紧牙关，加油干”

既然没有太赫兹光源，就自己“造”。

项目启动后，陆亚林带领团队利用预聚束电子束团串激发太赫兹相干辐射、轻量化固定磁极间隙波荡器、电控偏振分合束激光脉冲串成型光路等创新技术，研制了世界上第一台紧凑型可调谐预聚束太赫兹激光器。

该激光器不仅在设计上实现了高度紧凑化，将传统需要百米长的装置压缩到3.5米以内，而且具备高度灵活性，能够根据不同的测试需求精准调节太赫兹激光中心频率，为探测提供了准确和可靠的光源支持。

在多物理场技术方面，团队同样实现了多项突破——合作研制出世界首个冷壁贯穿大孔径矢量强磁体，样品测量腔直径达130毫米，温度低至零下270摄氏度，磁场垂直方向9特斯拉，水平方向5特斯拉，并且可以调控产生磁场的大小和方向。

世界首台，意味着没有经验可供学习和重复。“试着想象一下，同时将光源、探针、样品等众多组件全部放入磁体腔内，并浸泡在液氦中，在接近绝对零度的极低温环境下，实现光打进去、信号引出来，同时还要考虑各种可能的发热问题……”陆亚林坦言，这是一个巨大的工程挑战。

为此，他们与英国牛津公司展开了长达数年的联合攻关。其间经历了多次失败，尤其是在疫情期间，中外工程师无法面对面交流，第一次出厂测试即告失败，几乎让人崩溃。

经过无数次越洋视频会议和设计修改，这台独一无二的磁体终于研制成功。为了抗干扰，他们还精心设计了一个4.8米“深坑”，将磁体放置在“坑”里。

在近场探测技术方面，研究团队自主研制了大范围高通量压电马达和全非金属高稳定的原子分辨镜体，实现了1平方厘米大范围和0.14纳米空间分辨率的双扫描模式，满足了潜在高通量功能材料筛选的需要。

“尽管困难重重，也要咬紧牙关，加油干。”历时7年，陆亚林带领团队攻克了复合光源、多物理场条件以及近场探测分系统到整体集成的无数技术攻关，获得了50多项发明专利，成功研制出太赫兹近场高通量材料物性测试系统。

就在调试系统过程中，研究团队还取得了两项标志性科研成果，显示了仪器强大的科学探测能力：一是突破了过去认为需要满足100开尔文以下的低温以及真空条件下的限制，在国际上首次获得了“室温大气”环境下的原子分辨太赫兹隧道电流成像；二是突破了多场条件集成技术瓶颈，首次获得低温矢量强磁场下的原子分辨太赫兹近场隧道电流成像。

“科技创新，必须要敢想敢做”

2024年7月，太赫兹近场高通量材料物性测试系统迎来“大考”。

专家组一致认为：“系统可实现在太赫兹宽谱段对特定物性进行高分辨、高灵敏的近场高通量测试。”“利用该系统的超快光学特性，激发和研究关联材料体系中各类元激发及其瞬态行为，将对超导、拓扑、磁性等量子功能材料的发展起重要作用，同时也会对生命科学、医药、能源材料等领域产生重要影响。”“该系统在研制过程中所发明的光源技术、元器件等也具有产业价值。”

陆亚林悬了多年的心，终于落地了。从追逐个人梦想到完成国家级项目，他感触最深的是“科技创新，必须要敢想敢做”。

“验收成功只是开始，后续的运行维护、升级开放，都需要稳定投入。”陆亚林呼吁国家对这些经过严格验证的重大科学仪器建立专门的后期运行维护资助机制，确保“国之重器”持续发挥作用。

陆亚林透露，他们已在规划下一代“超快太赫兹自由电子激光系统”，以期研究新型量子态的超快动力学过程。那时，将与现有系统联动，形成世界上唯一的一个面向功能材料研究，具有多场条件、多维度空间分辨、多时间尺度能力的太赫兹研究装置集群。

《中国科学报》：你认为这套系统的成功研制，对我国乃至世界在重大科研仪器研制领域的自主创新有何启示？

陆亚林：科学仪器的研制要有明确的科学目标驱动，也要有清晰的应用场景显示，或者说明确的重大需求背景，更要有敢于挑战、敢于创新、敢于面对失败的精神。要实现科学仪器研制的真正自主创新，亟须建立更加科学、公正的项目评审机制和人才评价机制，并提供长期稳定的支持。

《中国科学报》：请你展望这套系统最终能为人类科学认知和技术进步带来哪些贡献？

陆亚林：探索功能材料里深层次的物理机理，尤其是量子层面的物理过程，需要有相对极端的实验条件，这就给实现这些条件带来了严苛的技术挑战。这套系统在多项技术领域取得了突破，比如紧凑源、大口径矢量磁体、大范围精密扫描、双探针探测等，可以广泛应用于相关领域，同时具有不错的产业化前景。这个系统提供的测量能力，能够满足发现新型量子功能材料、发现面向量子计算的新型量子比特、实现面向生命科学研究的极高灵敏度的磁共振、理解新型物理化学机制等的需求。这些潜在的贡献将是巨大的。当然，我们需要一个好的开放共享机制来实现。