清華工物系在新型加速器光源“穩態微聚束”研究中取得重大進展
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）以及德國聯邦物理技術研究院（PTB）的合作團隊在《自然》（Nature）上發表了題為“穩態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“穩態微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的首個原理驗證實驗。
基於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》評閱人對該研究高度評價，認為“展示了一種新的方法論”，“必將引起粒子加速器和同步輻射領域的興趣”。《自然》相關評論文章寫道：“該實驗展示瞭如何結合現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光源未來有望應用於EUV光刻和角分辨光電子能譜學等領域。”該論文一經刊發，立即引起國內外學術界及產業界的高度關注。
圖1. SSMB原理驗證實驗示意圖（圖片來源：《自然》）
圖2. SSMB原理驗證實驗結果（圖片來源：《自然》）
實驗中，研究團隊利用波長1064納米的激光操控位於柏林的儲存環MLS內的電子束，使電子束繞環一整圈（周長48米）後形成精細的微結構，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於激光波長的精度逐圈關聯起來，使得電子可被穩態地束縛在激光形成的光學勢井中，驗證了SSMB的工作機理。實驗示意如圖1所示，部分實驗結果如圖2所示。
SSMB概念由斯坦福大學教授、清華大學傑出訪問教授趙午與其博士生Daniel Ratner於2010年提出。趙午持續推動SSMB的研究與國際合作。2017年，唐傳祥與趙午發起該項實驗，唐傳祥研究組主導完成了實驗的理論分析和物理設計，並開發測試實驗的激光系統，與合作單位進行實驗，並完成了實驗數據分析與文章撰寫。
有望為EUV光刻光源提供新技術路線引發國際社會重點關注
“SSMB光源的潛在應用之一是作為未來EUV光刻機的光源，這是國際社會高度關注清華大學SSMB研究的重要原因。”唐傳祥告訴記者。
在芯片製造的產業鏈中，光刻機是必不可少的精密設備，是集成電路芯片製造中最複雜和關鍵的工藝步驟。光刻機的曝光分辨率與波長直接相關，半個多世紀以來，光刻機光源的波長不斷縮小，芯片工業界公認的新一代主流光刻技術是採用波長為13.5納米光源的EUV（極紫外光源）光刻。EUV光刻機工作相當於用波長只有頭髮直徑一萬分之一的極紫外光，在晶圓上“雕刻”電路，最後將讓指甲蓋大小的芯片包含上百億個晶體管，這種設備工藝展現了人類科技發展的頂級水平。荷蘭ASML公司是目前世界上唯一的EUV光刻機供應商，每台EUV光刻機售價超過1億美元。
大功率的EUV光源是EUV光刻機的核心基礎。目前ASML公司採用的是高能脈衝激光轟擊液態錫靶，形成等離子體然後產生波長13.5納米的EUV光源，功率約250瓦。而隨著芯片工藝節點的不斷縮小，預計對EUV光源功率的要求將不斷提升，達到千瓦量級。
“簡而言之，光刻機需要的EUV光，要求是波長短，功率大。”唐傳祥說。大功率EUV光源的突破對於EUV光刻進一步的應用和發展至關重要。唐傳祥說：“基於SSMB的EUV光源有望實現大的平均功率，並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。”
EUV光刻機的自主研發還有很長的路要走，基於SSMB的EUV光源有望解決自主研發光刻機中最核心的“卡脖子”難題。這需要SSMB EUV光源的持續科技攻關，也需要上下游產業鏈的配合，才能獲得真正成功。
攻關正當其時彰顯國際合作格局
清華SSMB團隊從2017年4月開始SSMB原理驗證實驗的理論分析和數值模擬。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原理驗證實驗在內的各項研究。經過四年攻關，SSMB研究組取得了多項重要進展，成果領先世界。
“SSMB採用激光來對電子進行聚束，相比同步輻射光源常用的微波，聚束系統的波長縮短了5到6個數量級。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儲存環在這一方面最接近SSMB的實驗需求。經過老師們的前期聯繫與溝通，德國的HZB及PTB兩家機構積極加入研究團隊，與我們開展合作研究。”全程參與赴德實驗的清華大學工物系2015級博士生鄧秀傑介紹說。
從2017年始，清華團隊成員先後8次前往柏林，參與從實驗準備到操作的各個環節，經過長時間的努力，實驗於2019年8月31日取得成功。鄧秀傑說：“SSMB涉及的物理效應多，實驗難度大，團隊經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，直到最後將問題一一解決。無法進行現場實驗的時候，我們也沒有停止工作，會就之前採集的實驗數據進行理論分析，定期召開工作會議，以及進行郵件或在線討論等。”“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了’1+1>>2’，大家對未來進一步的合作都充滿了信心。”鄧秀傑補充道。
破解“卡脖子”難題清華勇擔重擔
“我國高校要勇挑重擔，釋放高校基礎研究、科技創新潛力”，2020年9月22日，習近平總書記在教育文化衛生體育領域專家代表座談會上，對高校加強創新、突破關鍵核心技術寄予厚望。
清華大學傳承弘揚“頂天、立地、樹人”的清華科研傳統，增強服務國家科技自立自強的責任感、使命感和緊迫感。深化科研體制機制改革，創新科研組織模式。加強“從0到1”的基礎研究，加快關鍵核心技術特別是“卡脖子”問題攻關。
瞄準世界科技前沿，對症下藥。此次清華大學工程物理系唐傳祥研究組與國際合作團隊在“穩態微聚束”（SSMB）這樣一個有望解決關鍵領域、需要破解“卡脖子”課題的地方下大力氣，在前瞻性、戰略性領域持續加大關鍵核心技術攻關創新力度，著力增強自主創新能力，服務國家創新驅動發展戰略。
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研究組已向國家發改委提交“穩態微聚束極紫外光源研究裝置”的項目建議書，申報“十四五”國家重大科技基礎設施。
清華大學工物系唐傳祥教授和HZB的Jörg Feikes博士為本文通訊作者，清華大學工物系2015級博士生鄧秀傑為第一作者。該研究得到了清華大學自主科研專項的支持。