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(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的合作團(tuán)隊(duì)在頂尖期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實(shí)驗(yàn)演示”（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究論文,，報(bào)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(gè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
基于SSMB原理,，能獲得高功率,、高重頻、窄帶寬的相干輻射,，波長(zhǎng)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?！蹲匀弧吠谛侣勗u(píng)論文章寫道：“該實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注,。
實(shí)驗(yàn)中,，研究團(tuán)隊(duì)利用波長(zhǎng)1064納米的激光操控柏林MLS儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈（周長(zhǎng)48米）后形成精細(xì)的微結(jié)構(gòu),，也即微聚束,。微聚束會(huì)在激光波長(zhǎng)及其高次諧波上輻射出高強(qiáng)度的窄帶寬相干光，實(shí)驗(yàn)通過探測(cè)該輻射驗(yàn)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(zhǎng)的精度逐圈關(guān)聯(lián),，使得電子可被穩(wěn)態(tài)地束縛在激光形成的光學(xué)勢(shì)阱中，驗(yàn)證了SSMB的工作機(jī)理,。
有望為EUV光刻光源提供新技術(shù)路線
“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(guó)際社會(huì)高度關(guān)注清華大學(xué)SSMB研究的重要原因?！碧苽飨楦嬖V記者,。
光刻是集成電路芯片制造中復(fù)雜和關(guān)鍵的工藝步驟，光刻機(jī)是芯片產(chǎn)業(yè)鏈中必不可少的精密設(shè)備,。光刻機(jī)的曝光分辨率與光源波長(zhǎng)直接相關(guān),，半個(gè)多世紀(jì)以來，光刻機(jī)光源的波長(zhǎng)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(zhǎng)為13.5納米光源的極紫外（EUV）光刻,。EUV光刻機(jī)工作相當(dāng)于用波長(zhǎng)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(gè)晶體管,，這種設(shè)備工藝展現(xiàn)了人類科技發(fā)展的頂級(jí)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,，最新型NXE：3400C單臺(tái)售價(jià)大于1.5億歐元,。
而大功率的EUV光源是EUV光刻機(jī)的核心基礎(chǔ)。
大功率EUV光源的突破對(duì)于EUV光刻進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要,。唐傳祥表示,，“基于SSMB的EUV光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長(zhǎng)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,。”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(shí) 彰顯國(guó)際合作格局
清華大學(xué)SSMB團(tuán)隊(duì)從2017年4月開始SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(huì)議，牽頭成立了國(guó)際SSMB研究組,，聯(lián)合中,、德、美等國(guó)家的科研人員,，開始推動(dòng)包括SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的各項(xiàng)研究,。經(jīng)過四年攻關(guān)，SSMB研究組取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展,，成果領(lǐng)先世界,。
SSMB采用激光來對(duì)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(zhǎng)縮短了5到6個(gè)數(shù)量級(jí),。因此,，要驗(yàn)證SSMB的原理，需要加速器對(duì)電子縱向位置（相位）逐圈變化有非常高的控制精度,，而德國(guó)PTB的MLS儲(chǔ)存環(huán)在這一方面最接近SSMB的實(shí)驗(yàn)需求,。
從2017年始，清華團(tuán)隊(duì)成員先后八次前往柏林,，參與從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到操作的各個(gè)環(huán)節(jié),，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的努力，實(shí)驗(yàn)于2019年8月18日取得成功,。
“SSMB涉及的物理效應(yīng)多,，實(shí)驗(yàn)難度大，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了多次失敗的嘗試,，在實(shí)驗(yàn)過程中不斷加深對(duì)物理問題和實(shí)際加速器運(yùn)行的認(rèn)識(shí),，直到最后將問題一一解決。無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,，我們也沒有停止工作,，會(huì)就之前采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，定期召開工作會(huì)議,，以及進(jìn)行郵件或在線討論等,。”全程參與赴德實(shí)驗(yàn)的清華大學(xué)工物系2015級(jí)博士生鄧秀杰說,，“此外,，SSMB實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)是一個(gè)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，從開始的磨合到逐漸熟悉理解,，再到漸入佳境,，整個(gè)團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為我們真正實(shí)現(xiàn)了‘1+1大于2’，大家對(duì)未來進(jìn)一步的合作都充滿了信心,?！?/p>
目前，清華大學(xué)正積極支持和推動(dòng)SSMB EUV光源在國(guó)家層面的立項(xiàng)工作,。清華SSMB研究組已向國(guó)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(xiàng)目建議書,，申報(bào)列為“十四五”國(guó)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(jí)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(xiàng)的支持,。
