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龚旗煌院士团队:在时间和空间上追求极限

发表时间: 2023-03-06 16:10:56

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不论是体育赛事还是科学探索,挑战极限一直是人们的梦想。在***自然科学基金的支持下,中国科学院院士、北京大学教授龚旗煌团队长期致力于挑战科学前沿的“时空极限”研究,助力人们不断拓宽认知的边界。

当前,光信息处理、光显示、光探测传感等领域的技术迭代更新,光电功能器件向超高密度、超快速度、超低功耗方向不断发展,研制基于新型材料的复合微纳器件成为一大趋势。这就要求人们弄清微纳米尺度下的光电超快动力学过程。然而,长期以来,我国一直缺乏在相关领域的研究积累。“我们的目标是在空间和时间维度上,把分辨率做到极限(纳米量级和飞秒量级),并将二者结合起来,在极小的空间尺度下看清极快的变化过程,从而拓宽人们认知的边界。”龚旗煌说。


人眼能分辨出100微米大小的物体,借助光学显微镜能看到200纳米大小的物体,而电子显微镜则能让人看清0.1纳米大小的物体。有了这样一套系统,就像拥有一台10飞秒分辨率(比高速相机快1000万倍)的特殊超高速相机,同时具备电子显微镜的空间分辨能力,可以看清楚小于10纳米的结构。


2016年,在我国重大科研仪器研制项目的资助下,龚旗煌团队开始研制“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”。项目伊始,团队面对的是一间400平方米空旷实验室的改造任务。“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”对实验条件要求极高,细小振动、微弱电磁干扰都会影响实验精度。为达到要求,团队精心测量实验室振动、电磁场分布及变化,反复讨论抗振、抗电磁干扰方案。后来,他们设计出一套主动电磁屏蔽及减少振动的方案,经准确测算后才交付施工。对团队来说,解决实验室装修难题只是万里长征的一小步。在项目执行过程中,从系统设计与定制、搭建与优化、获取信号,到仪器安装、仪器测试,团队都需要不断摸索、反复推敲。


“这是一种全新的测量手段,从设计方案到技术实现都从未做过,因此我们要从零开始探索。”龚旗煌说。“这个系统以前没人做过,国际上也没有经验可供借鉴,所以我们要不断尝试,很多时候都是在试错。”团队成员、北京大学教授刘运全对《中国科学报》说,“有时候觉得好像都做对了,但就是得不到理想信号,只能一遍遍检查、优化,钻进每个细节中反复调试,这样才能获得比较好的指标。”遇到的考验多了,团队形象地将问题和考验称作“坎儿”,解决一个难题就是过一个“坎儿”。“每个‘坎儿’都是一次挑战,每个‘坎儿’都不容易过,但要实现零的突破,就必须过无数个‘坎儿’。”团队成员、北京大学教授级高工杨宏补充说。


该系统的核心模块之一是超快极紫外光电子显微镜。团队首先面临产生高通量极紫外光源这个“坎儿”。研究人员基于气体高次谐波产生技术,从理论模拟、实验验证到模块设计,紧密合作,反复优化参数,将谐波转化效率提高了两个量级以上,终是产生了满足要求的超快极紫外光源。极紫外光源和光电子显微镜耦合难度极大,是另一个“坎儿”,涉及极紫外光在真空中传播、偏转、合束、聚焦等一系列技术难题。团队成员充分论证,提出了特制微孔极紫外闪烁体光阑方案,解决了真空差分、极紫外光监测、合束以及时间和空间重合等技术挑战,建立了紧凑、稳定的极紫外束线,终是成功研制出国内首台基于气体高次谐波的超快极紫外光电子显微镜。类似的“坎儿”还有很多,团队成员养成了细心的工作习惯和严谨、细致、求真的科学精神。他们一致认为,实现极限时空分辨,一定要坚持、再坚持一下,细致、再细致一点儿。越“坎儿”无数后,研究人员总结出一些有趣的现象——很多重要突破都是在深夜或周末取得的。因此,在技术攻关的关键节点,团队成员坚持利用周末或节假日继续做实验。“有时候太累了,我们宁可在周五休息半天,也要在周末打起精神加油干。”杨宏说。这个神奇的“周末出成果”规律主要是因为这些精密科学仪器怕各种细微扰动。北京大学物理楼离地铁4号线很近,夜深人静地铁停止了运行,此时正是研究人员进行实验的黄金时段。要验证一些“极限数据”“极限指标”时,研究人员经常选择半夜开工。


“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”能看清材料的表面形貌,实时观测电子的动力学过程,因此是半导体材料、表面物理等领域一个新的研究手段。该系统能揭示激发态载流子与激子、声子、缺陷等相互作用的过程,可实现飞秒等离激元场的时空演化成像、拓扑缺陷的时空表征、微纳米等离激元器件的功能表征及操控、金属-半导体和二维材料中热载流子的动力学特性等研究。团队研制出国内首台基于气体高次谐波的超快极紫外光发射电子显微镜,并对空间、能量和时间分辨进行了表征,性能指标达到了国际领先水平。极紫外光发射电子显微镜的成功研制,为介观光子器件和微纳米尺度下超快光物理研究提供了先进平台,也为人类探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了有力的研究工具。目前,“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”兼具纳米-飞秒极端时空分辨功能,已在相关学科研究领域展现出强大能力。借助该系统,他们在等离激元金属纳米结构、半导体异质结构、钙钛矿材料等多种体系的载流子动力学,以及冰单晶微纳光纤光力学表征等领域已取得一批重要研究成果。在项目研制期间,团队在《科学》《自然》等期刊发表论文160余篇;围绕项目研制过程、重要技术难点及突破,申请专利25项,其中20项专利已获授权。“我们已经进入该领域的比较靠前的梯队。”龚旗煌说,“经过这几年磨炼,团队有了很好的技术积累,利用该系统取得了相当不错的成果。项目组正不断对其性能进行提升,完善仪器管理,并对国内外用户开放,提高大型仪器使用效率,服务科技创新和社会需求。”


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