不論是體育賽事還是科學(xué)探索，挑戰(zhàn)極限一直是人們的夢(mèng)想。在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授龔旗煌團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于挑戰(zhàn)科學(xué)前沿的“時(shí)空極限”研究，助力人們不斷拓寬認(rèn)知的邊界。
“我們就是要在時(shí)間和空間上追求極限。”龔旗煌告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。在國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“飛秒-納米時(shí)空分辨光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的支持下，該團(tuán)隊(duì)成功研制出高時(shí)空分辨光電子成像系統(tǒng)。它可讓人們?cè)诩{米（10-9米）量級(jí)（空間）和飛秒（10-15秒）量級(jí)（時(shí)間）上看清納米尺度結(jié)構(gòu)及其時(shí)間演化，同時(shí)具備能量和動(dòng)量分辨能力。該系統(tǒng)將推動(dòng)等離激元光子學(xué)、量子材料、半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域及其相關(guān)交叉學(xué)科在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面的革命性發(fā)展。
飛秒-納米時(shí)空分辨光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
從“零”起步
當(dāng)前，光信息處理、光顯示、光探測(cè)傳感等領(lǐng)域的技術(shù)迭代更新，光電功能器件向超高密度、超快速度、超低功耗方向不斷發(fā)展，研制基于新型材料的復(fù)合微納器件成為一大趨勢(shì)。這就要求人們弄清微納米尺度下的光電超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)一直缺乏在相關(guān)領(lǐng)域的研究積累。
“我們的目標(biāo)是在空間和時(shí)間維度上，把分辨率做到極限（納米量級(jí)和飛秒量級(jí)），并將二者結(jié)合起來(lái)，在極小的空間尺度下看清極快的變化過(guò)程，從而拓寬人們認(rèn)知的邊界。”龔旗煌說(shuō)。
人眼能分辨出100微米大小的物體，借助光學(xué)顯微鏡能看到200納米大小的物體，而電子顯微鏡則能讓人看清0.1納米大小的物體。有了這樣一套系統(tǒng)，就像擁有一臺(tái)10飛秒分辨率（比高速相機(jī)快1000萬(wàn)倍）的特殊超高速相機(jī)，同時(shí)具備電子顯微鏡的空間分辨能力，可以看清楚小于10納米的結(jié)構(gòu)。
2016年，在國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目的資助下，龔旗煌團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研制“飛秒-納米時(shí)空分辨光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。
項(xiàng)目伊始，團(tuán)隊(duì)面對(duì)的是一間400平方米空曠實(shí)驗(yàn)室的改造任務(wù)。“飛秒-納米時(shí)空分辨光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求極高，細(xì)小振動(dòng)、微弱電磁干擾都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)精度。為達(dá)到要求，團(tuán)隊(duì)精心測(cè)量實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)、電磁場(chǎng)分布及變化，反復(fù)討論抗振、抗電磁干擾方案。最終，他們?cè)O(shè)計(jì)出一套主動(dòng)電磁屏蔽及減少振動(dòng)的方案，經(jīng)精確測(cè)算后才交付施工。
對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，解決實(shí)驗(yàn)室裝修難題只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步。在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)與定制、搭建與優(yōu)化、獲取信號(hào)，到儀器安裝、儀器測(cè)試，團(tuán)隊(duì)都需要不斷摸索、反復(fù)推敲。
“這是一種全新的測(cè)量手段，從設(shè)計(jì)方案到技術(shù)實(shí)現(xiàn)都從未做過(guò)，因此我們要從零開(kāi)始探索。”龔旗煌說(shuō)。
攻堅(jiān)過(guò)“坎兒”
“這個(gè)系統(tǒng)以前沒(méi)人做過(guò)，國(guó)際上也沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，所以我們要不斷嘗試，很多時(shí)候都是在試錯(cuò)。”團(tuán)隊(duì)成員、北京大學(xué)教授劉運(yùn)全對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)：“有時(shí)候覺(jué)得好像都做對(duì)了，但就是得不到理想信號(hào)，只能一遍遍檢查、優(yōu)化，鉆進(jìn)每個(gè)細(xì)節(jié)中反復(fù)調(diào)試，這樣才能獲得最優(yōu)指標(biāo)。”
遇到的考驗(yàn)多了，團(tuán)隊(duì)形象地將問(wèn)題和考驗(yàn)稱(chēng)作“坎兒”，解決一個(gè)難題就是過(guò)一個(gè)“坎兒”。
“每個(gè)‘坎兒’都是一次挑戰(zhàn)，每個(gè)‘坎兒’都不容易過(guò)，但要實(shí)現(xiàn)零的突破，就必須過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)‘坎兒’。”團(tuán)隊(duì)成員、北京大學(xué)教授級(jí)高工楊宏補(bǔ)充說(shuō)。
該系統(tǒng)的核心模塊之一是超快極紫外光電子顯微鏡。團(tuán)隊(duì)首先面臨產(chǎn)生高通量極紫外光源這個(gè)“坎兒”。研究人員基于氣體高次諧波產(chǎn)生技術(shù)，從理論模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到模塊設(shè)計(jì)，緊密合作，反復(fù)優(yōu)化參數(shù)，將諧波轉(zhuǎn)化效率提高了兩個(gè)量級(jí)以上，最終產(chǎn)生了滿足要求的超快極紫外光源。
極紫外光源和光電子顯微鏡耦合難度極大，是另一個(gè)“坎兒”，涉及極紫外光在真空中傳播、偏轉(zhuǎn)、合束、聚焦等一系列技術(shù)難題。團(tuán)隊(duì)成員充分論證，提出了特制微孔極紫外閃爍體光闌方案，解決了真空差分、極紫外光監(jiān)測(cè)、合束以及時(shí)間和空間重合等技術(shù)挑戰(zhàn)，建立了緊湊、穩(wěn)定的極紫外束線，最終成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于氣體高次諧波的超快極紫外光電子顯微鏡。
類(lèi)似的“坎兒”還有很多，團(tuán)隊(duì)成員養(yǎng)成了細(xì)心的工作習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、求真的科學(xué)精神。他們一致認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)極限時(shí)空分辨，一定要堅(jiān)持、再堅(jiān)持一下，細(xì)致、再細(xì)致一點(diǎn)兒。
越“坎兒”無(wú)數(shù)后，研究人員總結(jié)出一些有趣的現(xiàn)象——很多重要突破都是在深夜或周末取得的。因此，在技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)成員堅(jiān)持利用周末或節(jié)假日繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。
“有時(shí)候太累了，我們寧可在周五休息半天，也要在周末打起精神加油干。”楊宏說(shuō)。
這個(gè)神奇的“周末出成果”規(guī)律主要是因?yàn)檫@些精密科學(xué)儀器最怕各種細(xì)微擾動(dòng)。北京大學(xué)物理樓離地鐵4號(hào)線很近，夜深人靜地鐵停止了運(yùn)行，此時(shí)正是研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的黃金時(shí)段。要驗(yàn)證一些“極限數(shù)據(jù)”“極限指標(biāo)”時(shí)，研究人員經(jīng)常選擇半夜開(kāi)工。
挺進(jìn)“第一梯隊(duì)”
“飛秒-納米時(shí)空分辨光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”能看清材料的表面形貌，實(shí)時(shí)觀測(cè)電子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，因此是半導(dǎo)體材料、表面物理等領(lǐng)域一個(gè)新的研究手段。該系統(tǒng)能揭示激發(fā)態(tài)載流子與激子、聲子、缺陷等相互作用的過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)飛秒等離激元場(chǎng)的時(shí)空演化成像、拓?fù)淙毕莸臅r(shí)空表征、微納米等離激元器件的功能表征及操控、金屬-半導(dǎo)體和二維材料中熱載流子的動(dòng)力學(xué)特性等研究。
團(tuán)隊(duì)研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于氣體高次諧波的超快極紫外光發(fā)射電子顯微鏡，并對(duì)空間、能量和時(shí)間分辨進(jìn)行了表征，性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。極紫外光發(fā)射電子顯微鏡的成功研制，為介觀光子器件和微納米尺度下超快光物理研究提供了先進(jìn)平臺(tái)，也為人類(lèi)探索未知物質(zhì)世界、發(fā)現(xiàn)新科學(xué)規(guī)律、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革提供了有力的研究工具。
目前，“飛秒-納米時(shí)空分辨光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”兼具納米-飛秒極端時(shí)空分辨功能，已在相關(guān)學(xué)科研究領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大能力。借助該系統(tǒng)，他們?cè)诘入x激元金屬納米結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦材料等多種體系的載流子動(dòng)力學(xué)，以及冰單晶微納光纖光力學(xué)表征等領(lǐng)域已取得一批重要研究成果。在項(xiàng)目研制期間，團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》《自然》等期刊發(fā)表論文160余篇；圍繞項(xiàng)目研制過(guò)程、重要技術(shù)難點(diǎn)及突破，申請(qǐng)專(zhuān)利25項(xiàng)，其中20項(xiàng)專(zhuān)利已獲授權(quán)。
“我們已經(jīng)進(jìn)入該領(lǐng)域的第一梯隊(duì)，”龔旗煌說(shuō)，“經(jīng)過(guò)這幾年磨煉，團(tuán)隊(duì)有了很好的技術(shù)積累，利用該系統(tǒng)取得了一流成果。項(xiàng)目組正不斷對(duì)其性能進(jìn)行提升，完善儀器管理，并對(duì)國(guó)內(nèi)外用戶(hù)開(kāi)放，提高大型儀器使用效率，服務(wù)科技創(chuàng)新和社會(huì)需求。”
團(tuán)隊(duì)合影（受訪者供圖）
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：該儀器目前在國(guó)際上處于什么水平？下一步，團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)或該領(lǐng)域的發(fā)展方向是什么？
龔旗煌：這是世界上最先進(jìn)的極限時(shí)空分辨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之一，國(guó)際上僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家在研制相關(guān)設(shè)備。這是目前國(guó)內(nèi)唯一一套系統(tǒng)，其部分指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。
下一步，我們將繼續(xù)專(zhuān)注于基礎(chǔ)研究，為前沿探索、為人們拓寬知識(shí)邊界提供支撐。比如，在特殊二維材料、納米材料新物態(tài)或新變化過(guò)程研究中，讓人們?cè)谛碌囊曇跋轮匦抡J(rèn)識(shí)物質(zhì)的變化，拓展對(duì)材料、凝聚態(tài)、物理、光學(xué)的認(rèn)識(shí)。在應(yīng)用方面，我們?yōu)橐恍┬〕叨绕骷热缧酒瑱z測(cè)、診斷，高精尖科學(xué)器件檢測(cè)、性能表征等提供支持。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：從事科學(xué)研究，尤其是尖端科學(xué)儀器研究，需要具備哪些品質(zhì)？
龔旗煌：這套系統(tǒng)從方案、路徑到工藝都需要我們研究人員自己去探索。因此，一是要耐得住寂寞，能承受長(zhǎng)時(shí)間不出成果，甚至根本沒(méi)有結(jié)果的壓力；二是要有吃苦精神，做這樣一個(gè)系統(tǒng)很累、很辛苦，實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵期加班加點(diǎn)、連軸轉(zhuǎn)的情況很常見(jiàn)；三是必須有創(chuàng)新精神，前人沒(méi)做過(guò)，要相信自己；四是研制大型科研設(shè)施，沒(méi)有人可以包打天下，因此不但要有很高的個(gè)人素質(zhì)，還需要有非常好的合作精神，協(xié)同攻關(guān)完成任務(wù)。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：科學(xué)基金對(duì)該項(xiàng)目起到了怎樣的作用？
龔旗煌：在國(guó)家自然科學(xué)基金的長(zhǎng)期穩(wěn)定資助下，這支隊(duì)伍得到了很好的鍛煉，有了很好的積累。我們不但取得了一批前沿成果，也培養(yǎng)了一批后備力量。
