2月25日,，清華大學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）以及德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的合作團隊在頂尖期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實驗演示”（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究論文,，報告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束”（Steady-state microbunching,，SSMB）的首個原理驗證實驗,。
基于SSMB原理，能獲得高功率,、高重頻,、窄帶寬的相干輻射，波長可覆蓋從太赫茲到極紫外（EUV）波段,，有望為光子科學研究提供廣闊的新機遇,。《自然》同期新聞評論文章寫道：“該實驗展示了如何結(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等領(lǐng)域,。”該論文一經(jīng)刊發(fā),，立即引起國內(nèi)外學術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注,。
實驗中，研究團隊利用波長1064納米的激光操控柏林MLS儲存環(huán)內(nèi)的電子束,，使電子束繞環(huán)一整圈（周長48米）后形成精細的微結(jié)構(gòu),，也即微聚束。微聚束會在激光波長及其高次諧波上輻射出高強度的窄帶寬相干光,，實驗通過探測該輻射驗證微聚束的形成,。微聚束的形成，證明了電子的光學相位能以短于激光波長的精度逐圈關(guān)聯(lián),，使得電子可被穩(wěn)態(tài)地束縛在激光形成的光學勢阱中,，驗證了SSMB的工作機理。
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光刻機的光源,，這是國際社會高度關(guān)注清華大學SSMB研究的重要原因,。”唐傳祥告訴記者,。
光刻是集成電路芯片制造中復(fù)雜和關(guān)鍵的工藝步驟,，光刻機是芯片產(chǎn)業(yè)鏈中必不可少的精密設(shè)備。光刻機的曝光分辨率與光源波長直接相關(guān),，半個多世紀以來,，光刻機光源的波長不斷縮小,，芯片工業(yè)界公認的新一代主流光刻技術(shù)是采用波長為13.5納米光源的極紫外（EUV）光刻。EUV光刻機工作相當于用波長只有頭發(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晶體管，這種設(shè)備工藝展現(xiàn)了人類科技發(fā)展的頂級水平,。荷蘭ASML公司是目前世界上唯一的EUV光刻機供應(yīng)商,，最新型NXE：3400C單臺售價大于1.5億歐元。
而大功率的EUV光源是EUV光刻機的核心基礎(chǔ),。
大功率EUV光源的突破對于EUV光刻進一步的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。唐傳祥表示,，“基于SSMB的EUV光源有望實現(xiàn)大的平均功率,，并具備向更短波長擴展的潛力，為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路,?！边@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)正當其時 彰顯國際合作格局
清華大學SSMB團隊從2017年4月開始SSMB原理驗證實驗的理論分析和數(shù)值模擬。當年7月21日,，唐傳祥與趙午在清華組織召開首屆SSMB合作會議,，牽頭成立了國際SSMB研究組，聯(lián)合中,、德,、美等國家的科研人員，開始推動包括SSMB原理驗證實驗在內(nèi)的各項研究,。經(jīng)過四年攻關(guān),，SSMB研究組取得了多項重要進展，成果領(lǐng)先世界,。
SSMB采用激光來對電子進行聚束,，相比同步輻射光源常用的微波，聚束系統(tǒng)的波長縮短了5到6個數(shù)量級,。因此,，要驗證SSMB的原理，需要加速器對電子縱向位置（相位）逐圈變化有非常高的控制精度,，而德國PTB的MLS儲存環(huán)在這一方面最接近SSMB的實驗需求,。
從2017年始，清華團隊成員先后八次前往柏林,，參與從實驗準備到操作的各個環(huán)節(jié),，經(jīng)過長時間的努力,，實驗于2019年8月18日取得成功。
“SSMB涉及的物理效應(yīng)多,，實驗難度大,，團隊經(jīng)歷了多次失敗的嘗試，在實驗過程中不斷加深對物理問題和實際加速器運行的認識,，直到最后將問題一一解決,。無法進行現(xiàn)場實驗的時候，我們也沒有停止工作,，會就之前采集的實驗數(shù)據(jù)進行理論分析,，定期召開工作會議，以及進行郵件或在線討論等,?！比虆⑴c赴德實驗的清華大學工物系2015級博士生鄧秀杰說，“此外,，SSMB實驗團隊是一個國際合作團隊,，從開始的磨合到逐漸熟悉理解，再到漸入佳境,，整個團隊一致認為我們真正實現(xiàn)了‘1+1大于2’,，大家對未來進一步的合作都充滿了信心?！?/p>
目前,，清華大學正積極支持和推動SSMB EUV光源在國家層面的立項工作。清華SSMB研究組已向國家發(fā)改委提交“穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置”的項目建議書,，申報列為“十四五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,。
清華大學工物系唐傳祥教授和HZB的J?rg Feikes博士為本文通訊作者，清華大學工物系2015級博士生鄧秀杰為第一作者,。該研究得到了清華大學自主科研專項的支持,。
