清华物理系学生发表论文

【新智元导读】 2月25日，清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」的首个原理验证实验。与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

最现代的研究用光源是基于粒子加速器的。

这些都是大型设施，电子在其中被加速到几乎是光速，然后发射出具有特殊性质的光脉冲。

在基于存储环的同步辐射源中，电子束在环中旅行数十亿转，然后在偏转磁体中产生快速连续的非常明亮的光脉冲。

相比之下，自由电子激光器(FEL)中的电子束被线性加速，然后发出单次超亮的类似激光的闪光。

近年来，储能环源以及FEL源促进了许多领域的进步，从对生物和医学问题的深入了解到材料研究、技术开发和量子物理学。

现在，一个中德团队证明，在同步辐射源中可以产生一种脉冲模式，结合了两种系统的优点。

2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在Nature上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（ Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching ）的论文。

报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。

该研究与极紫外（EUV）光刻机光源密切相关，有望为EUV光刻机提供新技术路线。

SSMB光源首个原理验证实验，中德团队登上Nature

同步辐射源提供短而强烈的微束电子，产生的辐射脉冲具有类似于激光的特性（与FEL一样），但也可以按顺序紧密跟随对方（与同步辐射光源一样）。

大约十年前，斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授、著名加速器理论家赵午和他的博士生Daniel Ratner以提出了「稳态微束」（SSMB）。

赵午教授

该机制还应该使存储环不仅能以高重复率产生光脉冲，而且能像激光一样产生相干辐射。

来自清华大学的青年物理学家邓秀杰在他的博士论文中提出了这些观点，并对其进行了进一步的理论研究。

2017年，赵午教授联系了HZB的加速器物理学家，他们除了在HZB操作软X射线源BESSY II外，还在PTB操作计量光源（MLS）。

MLS是世界上第一个通过设计优化运行的光源，在所谓的 「低α模式 」下运行。

在这种模式下，电子束可以大大缩短。10多年来，那里的研究人员一直在不断开发这种特殊的运行模式。

HZB的加速器专家Markus Ries解释说：「现在，这项开发工作的成果使我们能够满足具有挑战性的物理要求，在MLS实证确认SSMB原理」。

「SSMB团队中的理论小组在准备阶段就定义了实现机器最佳性能的物理边界条件。这使我们能够用MLS生成新的机器状态，并与邓秀杰一起对它们进行充分的调整，直到能够检测到我们正在寻找的脉冲模式」，HZB的加速器物理学家Jörg Feikes说。

HZB和PTB专家使用了一种光学激光器，其光波与MLS中的电子束在空间和时间上精确同步耦合。

这就调制了电子束中电子的能量。

「这使得几毫米长的电子束在存储环中正好转了一圈后分裂成微束（只有1微米长），然后发射光脉冲，像激光一样相互放大」，Jörg Feikes解释道。

「对相干态的实验性探测绝非易事，但我们PTB的同事开发了一种新的光学检测装置，成功地进行了探测。」

SSMB概念提出后，赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。

2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。

揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步，是在真实机器上演示其机制。在新的论文中，研究人员报告了SSMB机制的实验演示。

SSMB原理验证实验示意图

实验表明，存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米级的微束和相干辐射，由1,064纳米波长激光器诱导的能量调制后一个完整的旋转。

结果验证了电子的光相可以在亚激光波长的精度上逐次相关。

SSMB原理验证实验结果

在这种相位相关性的基础上，研究人员通过应用相位锁定的激光器与电子轮流相互作用来实现SSMB。

该图示直观地展示了如何通过激光调制电子束来产生发射激光的微束，是实现基于SSMB的高重复性、高功率光子源的一个里程碑。

有望解决EUV卡脖子难题

没有顶尖的光刻机，是我国半导体行业发展的最大瓶颈。

光刻机的曝光分辨率与波长直接相关，半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。

EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上「雕刻」电路，最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类 科技 发展的顶级水平。

而昂贵的EUV光刻机也正是实现7nm的关键设备，目前，荷兰ASML是全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商，而由于禁令，我国中芯国际订购的一台EUV仍未到货。

如果中国大陆无法引入ASML的EUV光刻机，则意味着大陆将止步于7nm工艺。

目前ASML公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长13.5纳米的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。

SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。它们产生的类似激光的辐射也超出了 "光 "的可见光谱，例如在EUV范围内，最后阶段，SSMB源可以提供一种新的辐射特性。脉冲是强烈的、集中的和窄带的。可以说，它们结合了同步辐射光的优势和FEL脉冲的优势。

可以说，基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

关于作者

本文的通讯作者唐传祥教授是清华大学的博士生导师。

1992年9月－1996年3月，考入 清华大学工程物理系硕博连读。1996年3月获得工学博士学位， 博士学位论文为“用于北京自由电子激光装置的多腔热阴极微波电子枪的研究”。

1996年4月获得博士学位后，留校工作。

1996年7月 1998年6月期间，作为访问学者到德国DESY工作2年。在DESY工作期间，主要进行超导加速结构的优化及测量研究，并与J. Sekutowicz, M.Ferrario等合作提出了Superstructure的超导加速结构。

1998年6月回国后，继续在清华大学从事加速器物理、高亮度注入器、汤姆逊散射X射线源、自由电子激光、新加速原理与新型加速结构、电子直线加速器关键物理及技术、加速器应用等方面的研究。

参考资料：

一、他的理论

任何获得诺贝尔物理学奖的理论，都是世界上最顶尖、最伟大、最正确的理论之一，是人类文明的辉煌成就。

诺奖的成果是公开的，它不仅仅属于某个人、某个国家，而是属于全世界。当然，也属于中国。

而且，他还有比诺奖理论更加牛的理论——杨－米尔斯规范理论。这是个可以让他排在当今世界前五的成就。

也许很多人并不知道宇称不守恒、规范场是什么鬼，不知道我们能从中得到什么好处。

500年前，哥白尼提出“日心说”时，当时的人们也不知道能有什么用，太阳照样每天在老地方升起。但谁能否定他对人类的巨大贡献。

111年，爱因斯坦提出了相对论，后来的科学家居然花了几十年去证实，更别说什么好处了，但没有人能否定他的伟大贡献。

杨振宁理论，就是这样一个理论。

二、他的诺奖

我们可以拿诺贝尔奖可以和奥运会金牌比一比，奥运会金牌四年有306块，诺贝尔奖一年6个，4年才24个。目前为止，中国获239枚奥运会金牌，但获得诺奖的满打满算，牵强附会统计拢来，还是个位数。

因此，如果说获得奥运会金牌给国家带来巨大荣誉的话，诺奖带来的荣誉要大得多。

而且，奥运会金牌的对国家的贡献属于当前，但诺奖的理论带来对世界的改变，是非常长期和影响深远的。

大概，您会说杨振宁是美国人，别说这些没用的。

告诉您：1957年，杨振宁和李政道都是如假包换的中国人。

三、他推进中美建交

杨振宁在中美还没有正常建交前的1971年，以巨大的勇气，以诺奖科学家的身份，率先访华。为美国科学界访华第一人，得到国家领导人的亲切接见，为中美建交铺平了道路。

在后来的岁月中，他一直致力于中美友好，深刻改变了世界格局。

四、他的具体的贡献

据不完全统计，杨振宁为中国协助或者直接建立一流物理实验室60余座，为清华大学和南开大学一共筹集约20亿美金的科研经费。他以清华大学的名义发表SCI论文30多篇，将冷原子、凝聚态物理科研水平一下子提高了几十年，为我国在世界科学界争得了巨大荣誉。

杨振宁利用自己的影响，推荐1200多名青年学者出国访问、深造，绝大多数都归国成为科学界的栋梁之才。

据朱邦芬院士在南开大学讲：杨振宁在清华大学的年薪为人民币100万元，但他分文不取，捐给了他1997年亲自创办的清华大学高等研究中心。他变卖掉了自己在美国纽约的一处豪华住宅，向清华捐了100万美元。在清华大学，他设立了“杨振宁讲座”，“杨振宁奖学金”，“杨振宁基金会”，并亲自担任高等研究中心名誉主任，基金会主席。

杨振宁作为一名著名的美籍科学家，10个国家和地区的科学院的院士，去哪里，都会当神一样供着。但他回到中国的清华大学，这对海外学者的示范效应，他所带来的人才资源和人脉关系，本来都是无法估量的。运用得好，完全可能比导弹和氢弹要更有威力。因为他可能吸引回来第二个、第三个钱学森、邓稼先。

杨振宁为清华大学、南开大学、复旦大学拉巨额科研经费，私人推荐1200余名年轻学者出国培训。“无偿协助建设实验室几十座”(葛墨林院士语)，以清华名义发表SCI论文几十篇，“将清华三个物理研究领域提高到世界一流”(清华大学校长王大中语)”，杨振宁还个人捐献600万美金以上给清华大学，用于引进人才。杨振宁还邀请、安排林家翘、聂华桐、姚期智、张首晟等多位世界顶级科学家到中国工作，其中做到中科院外籍院士的就有7人。杨振宁还一手促成中国科技大学少年班的创建和第四代光源——X射线自由电子激光试验装置的大项目在中国落户。据李昕，杨振宁还与恢复高考有关，改变了很多人的命运。杨振宁是清华大学高等研究院创始人，该研究院在理论凝聚态物理、冷原子物理、理论计算机等领域取得了一批重要成果，汇聚众多国际一流学者。他还是南开大学理论物理研究室创办人，该研究室在国际上占有一席之地。据周光召院士：杨振宁为中国至少培养了10个以上的中科院院士和5个大学（副）校长。他是1971年中美关系松动后回国探访的第一位华裔科学家，在积极推动中美文化交流和人民的互相了解、促进中美建交、人才交流和科技合作等方面，做出了重大贡献。1971年上半年，杨振宁参与保钓运动，此外他还以公开信的方式直接参加1971-1991年对台统战。1977年，杨振宁创建全美华人协会，1980年创建“与中国学术交流委员会”，在中国香港和美国筹措资金，策划和资助了CEEC计划（中国学者访问项目），帮助大批中国高端学者到美国著名大学进行深造，归国者有多位当选两院院士，其中就包括后来的北京大学校长的陈佳洱，担任过复旦大学校长的杨福家以及担任过中国科技大学校长的谷超豪、东北师范大学副校长薛康、中国科学院院士孙昌璞、中国科学院研究生院副院长苏刚等人。1983年，杨振宁创建香港中山大学高等学术研究中心基金会，促成了广州中山大学高等学术研究中心的成立，募得巨额资金，以及4000多平方米教学楼一栋，资助国内纯学术基础研究项目，获得国家部省级奖励几十项。杨振宁还在南京大学、兰州大学、中山大学、海南大学、东莞理工学院等高校学府个人捐资建立“杨振宁奖学金”，帮助品学兼优的大学生（含研究生）完成学业。中国科学院院士龙以明说，南开大学理论物理研究室为我国科学事业的发展作出了重要贡献，这与杨振宁先生的指导和帮助是分不开的，他亲自募款支持并指导应注意的研究发展方向，亲自参加该室举办的多次国际会议，并资助该室博士生毕业后到纽约州立大学石溪分校工作一年。今天，杨先生仍十分关心理论物理研究室的发展，是我们学习的榜样。中科院院士葛墨林说，我一直是在陈省身先生的亲切关怀和杨振宁先生的直接指导下做事情，从他们二位身上我们学到的不仅仅是数学和物理，更包括做人。杨先生虽已年近九旬，但有很多重要的事情我们仍向他报告，得到了他的指点和支持。清华大学前校长王大中高度赞誉了杨振宁对清华的贡献：清华物理系有今天的成就，杨教授功不可没。清华大学前校长顾秉林对杨振宁作出了高度评价，“杨先生是我国科学工作者的一面旗帜”。顾秉林透露，他任校长时杨振宁推荐了著名计算机专家姚期智来清华任教，为后来清华引进大量高端人才起到了十分重要的作用。“他还把在清华的工资都捐了出来，用于引进人才和培养学生。”清华物理系主任朱邦芬院士：杨振宁回国后，在短时间内将冷原子、凝聚态、统计物理三个研究领域短时间内提高到世界先进水平，帮助清华物理系从根本上改变了面貌，亲自做了很多重要的研究工作，我常收到他发来的电子邮件，发件时间经常是晚上10点多、11点。在清华培养出了多名杰出的青年物理学家，其中好几位在国际上已经很有名声。一共发表了近30篇SCI论文，单位都署清华大学，此外还出版了几本专著。最后不过还是在想提起另一位科学家邓稼先附杨振宁与邓老的对话邓稼先病重住院期间，杨振宁去医院探望时，两人之间有这样一段对话。杨问：研究原子弹，国家究竟给了你多少奖金，值得你把命都搭上？邓：原子弹十块钱，氢弹十块钱。