文|《中国科学报》记者李思辉 实习生 王悟诚

1939年，苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔提出一个物理学的基础理论预言——“米格达尔效应”，该效应被认为是突破轻暗物质探测能量阈值的关键理论路径。

然而，该理论预言提出后的80多年间，中性粒子碰撞过程中是否存在米格达尔效应一直未被证实。近日，由中国科学院大学联合广西大学、华中师范大学等单位组成的合作科研团队，首次在实验中直接观测到了这一物理现象。相关成果发表于Nature。

发表于Nature的研究成果

为了“看见”

“这个结果来得并不突然，但真正看到它被验证，还是非常激动。”华中师范大学教授孙向明说。

孙向明介绍，米格达尔效应是一个著名的物理理论预言。该预言认为，当中性粒子与原子核碰撞时，反冲原子核将部分能量传递给核外电子，使电子有概率获得足够的能量脱离原子束缚，形成“共顶点”的两条带电径迹——核反冲径迹和电子径迹。这一预言虽一直未被证实，但被很多科学家默认，很多科学研究都建立在这一理论基础之上。

中国科学院大学教授郑阳恒、刘倩团队领衔的这项联合研究，研发了“微结构气体探测器+像素读出芯片”超灵敏探测装置，相当于一台“照相机”，可拍摄“单原子运动释放电子的过程”。

研究人员利用紧凑型氘-氘聚变反应加速器中子源轰击“照相机”内的气体分子，产生原子核反冲与米格达尔电子，二者形成“共顶点”的独特轨迹。通过分析这一特征，研究团队成功将这种“米格达尔事件”从伽马射线、宇宙射线等背景干扰中区分开来，在世界上首次直接证实了利用量子力学预言的米格达尔效应。

在这个过程中，孙向明领导的华中师范大学PLAC实验室（全称Pixel Laboratory At CCNU，硅像素实验室）团队研制的像素读出芯片Topmetal发挥了显著作用。该芯片被应用在此次实验的关键探测环节，承担了微弱电荷信号成像的任务。

孙向明（右二）与课题组成员。张金光/摄

孙向明告诉《中国科学报》，在高能物理探测中，空气或气体中的微弱电荷信号极难被稳定捕捉。电荷如何进入芯片、如何被可靠读取等，一直是限制测量精度的重要瓶颈。

十多年前，还在美国伯克利国家实验室从事高能物理探测器相关研究的孙向明开始思索解决之道。他和同事反复琢磨，如何让空气或气体中的微弱电荷信号真正进入芯片内部，并稳定成像。

现实的障碍很明确：普通芯片表面覆盖着多层绝缘层和金属结构，电荷很难直接进入敏感区域。有人尝试通过施加高电压“打穿”表层结构，但在不同工艺条件下，稳定性和可控性差异很大，很难形成可复制的解决方案。

围绕这个“看不见”的环节，孙向明有了一个大胆的设想——把电极直接做进芯片里。他不再试图“穿透”，而是在工艺层面“打开入口”，让芯片成为眼睛，看到电荷在空间中是如何分布的。

如果能在芯片最表层直接布置金属电极，让电荷像被天线接收一样进入芯片内部，复杂结构带来的阻隔就可以被绕开。这样一来，电荷不需要再穿越多层材料，可以被直接捕获和读取。因为需要长周期的、集成式的科研攻关，这样的芯片研发工作在国外很难实现。

因此，在美国做研究期间，这个设想一度只能停留在纸面上。

2011年，知名物理学家许怒回国发展，作为其团队骨干成员之一的孙向明也随同回国，全职加盟华中师大。“我希望为我的科研设想找到一处可以长期投入的土壤。”孙向明说。

加盟华中师大后，PLAC实验室开始筹建。搭建实验环境、组织团队、积蓄工程能力……在学校支持下，这个团队从最初“几乎一片空白”，到逐渐把实验条件搭建起来。

正是在这样的起点上，他们启动了Topmetal芯片研发工作。

十年磨一“芯”

这个2cm×3cm的芯片虽小，研制却是一项高度工程化的工作。

研究参与者、华中师范大学教授王东介绍，Topmetal芯片的研制需要反复流片、测试和标定，很多问题只能在实验中一点点试出来，需要投入大量的时间和精力。并且这样的工作不可能靠一个人完成，需要持续地密集劳动。为此，PLAC实验室团队经历了一段长达5年的“低产出期”。

“因为前期大量的时间都投入到打基础的工作上，从2011年到2016年，我们实验室的论文产出很少，几乎没有课题。”孙向明说。

这种投入与常规科研考核体系之间的张力，在那几年表现得尤为明显。一方面，项目和论文数量有限，团队成员晋升困难；另一方面，芯片研发必须持续推进，不能中断。

孙向明坦言，这期间也发生过人员流动。年轻教师如果只做芯片，短期内看不到产出，难免产生沮丧情绪，于是转向更容易出成果的方向。而人员离开，对项目影响很大。

尽管如此，这条路线仍然得以继续推进。

孙向明直言：“那几年实验室在考核上也勉强通过了，但没有什么显著产出。如果没有学校和团队成员的支持，我可能坚持不到现在。”

2015年，第一版芯片研制成功。当芯片性能趋于稳定，并能够在实验中持续输出可靠数据时，大家总算看到了曙光。

据介绍，Topmetal系列芯片长期聚焦高能物理探测领域的“卡脖子”技术攻关，已形成从芯片设计、流片验证到系统集成的完整技术体系。

在“米格达尔效应”研究中，Topmetal-II像素读出芯片通过高分辨率像素阵列实时捕捉传输微弱信号，结合专用数据处理算法，从近百万条记录事件中筛选出6个明确的米格达尔候选事件，以5个标准差的统计显著性证实该效应存在，测得的米格达尔截面与核反冲截面比值与理论预测高度吻合。

有评论认为，该芯片在米格达尔效应观测中的成功应用，不仅验证了其在极端微弱信号探测场景下的可靠性与先进性，更彰显了我国在高端探测芯片领域的自主创新能力。

“当你的研制和发明有了知名度，平台的显著性就会被看到。”孙向明说，经历多年的沉默后，最近几年，他和团队申请到不少大的项目和课题。

除了作为实验工具，助力基础研究外，PLAC实验室团队也开始探索Topmetal系列芯片更广泛应用的可能性，包括向更高精度的X射线探测等方向拓展空间。

孙向明告诉《中国科学报》，他和团队的核心目标是进一步提升芯片的稳定性和成像能力，优化出更高精度、更低噪声的Topmetal芯片，为多场景应用奠定技术基础。

PLAC实验室团队的研发成果之一。张金光/摄

在师范大学做芯片

在很多人眼里，高精度芯片研发应该发生在理工类高校。在一所以师范教育、人文教育见长的师范大学建设一套完整的尖端芯片研发体系，似乎并不是一件顺理成章的事情。

孙向明坦言，入职华中师范大学时，该校只有电子系，相关学科以传统电子工程教学为主，在集成电路方向没有现成基础，需要从零构建芯片设计、封装和系统测试环境。但学校领导的决心令他感动：“没有条件创造条件，师范大学照样能建起一流实验室。”

孙向明和其他老师一起，从实验空间、仪器条件、技术团队等方面入手，一步步完成实验室建设。实验平台逐渐成形后，芯片设计平台、封装与测试平台也相继完善。接着，大家围绕芯片应用布局物理分析方向。

随着研究团队的成熟，该校也借助团队教师资源，申报并获批集成电路本科专业，开始系统培养本科生、研究生。如今，PLAC实验室已有十多位教师，拥有一层楼的实验空间，形成相对完整的技术链条。

在孙向明看来，华中师大是一个宽容、美丽的地方。说它宽容，是因为在芯片研发的最初几年里，PLAC实验室的产出不显著，如果完全按照短周期指标衡量，团队的工作可能很难持续。但在华中师大相对宽容的制度环境下，这条技术路线得以持续推进，最终取得突破。

说它美丽，是因为这里每到秋天，桂花盛开，空气中氤氲着清香。并且，桂子山的校园节奏相对舒缓和静谧，这样的环境更适合开展需要长期投入的研究工作。

“在学科结构方面，师范类、文科见长的高校，并不天然与物理或工程研究对立。科研能力并不由学校类型简单决定，真正关键的是是否具备稳定团队、持续投入和合理评价机制。只要条件允许、路径清晰，文科见长的高校同样可以做出扎实的物理与工程成果。”孙向明说。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09918-8