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诗涵百草兔
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家的塑造者

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【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:

105 评论

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随着现代科技的日益发展,学科分支日趋细化,学科界限日益模糊,学科间彼此交错互融,创新成果往往产生于多学科的交叉点上。硕士研究生培养中,虽然每位导师都是本专业学科领域的专家、教授,但其知识面、思维方式往往受单一学科限制,很难培养出具有综合能力的创新型人才。只有组建导师团队,让不同学科、不同领域、不同专业的导师合作、交流、互补,才能使知识更新、研究创新,从而培养出思维活跃,敢于求新、求异的创新型研究生。

一、我国工科研究生教育模式现存问题

(一)工科研究生教育培养模式单一化

工科研究生教育的模式直接影响到整个研究生教育的质量。审视我国目前对工科硕士研究生的培养,可以发现仍然存在着许多问题。我国工科研究生教育存在着一定程度的重学术型而轻应用型研究生培养的倾向,培养模式趋于单一,几乎所有类别的硕士研究生均采用“学位课程+的培养方式”,这种单一的培养模式不利于满足多样化的需求;学生普遍存在理论与工程实际脱节的问题,无法将理论知识转化为实际应用能力;学生思维闭塞,与人沟通交流能力差。我国硕士研究生的这种培养模式对多方面提高研究生的培养质量形成了一定的制约。

(二)教学模式本科化,考核标准制度化

受到精英教育和以学科定位划定课程的传统教学模式影响,以“知识输人”导向设置课程,其课程设置强调学科知识的全面性,即在全面掌握相关学科知识、研究方法和基本规律基础上,致力于探索新规律,发现新知识,不断丰富和完善学科领域。学科至上理念不可能有针对性地考虑企业对新技术、新方法、新工艺的现实需求,更不考虑如何应用知识去解决现实社会的实际问题。其师资建设自然也是只注重和强调学术研究能力,不考虑工程实践能力;培养途径强调科教结合、科研至上,不考虑与企业合作,走产教研融合的建设发展之路,等等。“知识输人”导向的课程设置弊端日益显现:内容重复,脱离实际,方法呆板,远离应用。考核标准也只是关注研究生发表的论文档次与数量,不顾以实践需求为衡量的社会标准3。由于精英教育和研究型人才培养模式的影响,现行的课程内容、教学方式、方法及考核标准必须进行改革和创新,以适合于创新的应用型人才培养模式。

(三)工科硕士生就业与社会需求的矛盾

研究生教育是高等教育的重要组成部分,也是国家人力资源战略的重要组成部分。从精英教育的视角看,研究生是学术研究的生力军,是国家创新体系的重要力量。工科硕士就业问题是目前我国硕士研究生培养的一个亟需解决的问题。近几年来,硕士研究生的就业情况很不乐观,甚至与本科生竞争就业岗位。主要表现为:硕士研究生就业面临难以寻求到适合自己所学专业的岗位,越来越多的硕士研究生反而参与竞争公务员职务;同时,社会上实际需求的硕士研究生与高校实际输出的研究生之间存在着供需不平衡的问题,调查显示有45。8%的硕士研究生毕业后有着去企业部门工作的愿望,而企业却更加偏向于实务型人才,二者存在着一定程度的反差而导致工科硕士就业难。

随着我国研究生教育的发展,研究生招生数量的扩大、研究生读研动机与就业去向的多样化以及社会对研究生能力需求的'变化,迫切需要高等学校思考与改革研究生的培养模式与培养制度,在提高研究生学术水平与解决研究生就业两方面取得平衡。以上这些问题亟需对工科研究生培养模式进行改革与创新,基于此,本文提出导师团队联合培养研究生新模式。

二、构建联合培养模式下的研究生导师团队

建立合理的研究生导师团队结构是“导师团队培养模式”的基础,在团队结构中注重不同学科专业、知识层次、专业特长教师的有机结合。在专业上,强调相近、相关学科的交叉融合,但要把握以冶金类专业教师指导为主,以化学工程及材料科学工程专业教师为辅的原则;在学历层次上,强调博士、硕士学位的教师相结合;在职称层次应以教授、副教授、讲师等不同层次的教师相结合;在年龄层次上,考虑老教师的经验优势及青年教师接受新知识快的优势,实行老中青相结合,以保证导师团队的可持续发展。另外,还要充分考虑导师团队研究方向的延伸与拓展,导师团队成员应来自尽可能多的学校,以将其他高等学校的先进思维方法和应用型的研究理念灌输到团队中。团队现有教师9名,教授2人,副教授3人,讲师4人,团队共有硕士研究生10名。近几年来,团队成员先后承担了国家自然科学基金、教育部留学回国基金、辽宁省自然科学基金、辽宁省优秀人才支持计划,及地方政府和企业委托课题15余项;发表50余篇,其中SCI收录十多篇,获授权发明专利4项。

三、健全联合培养模式下的导师团队管理制度

健全的研究生导师团队管理制度是其有效运行的保证。首先要明确成员职责,对团队成员实行目标管理,自上而下确定工作目标。中心负责人负责协调本团队的资源配置与使用,指导并监督研究生培养中的具体工作落实,把握团队大方向;利用自己的学术威望和人格魅力,协调本团队成员之间的关系,充分调动每位成员的积极性和创造力。导师团队成员应按照本团队的研究生培养方案积极参与团队内研究生的指导工作,明确规定每个成员对研究生指导的最低时间要求,坚决杜绝团队成员因教学、科研、行政或社交事务繁重而疏于对研究生的指导,避免导师团队虚化和流于形式。

团队每周定期组织一次小组会议,由小组成员轮流汇报自己的研究进展及文献阅读情况,并对遇到的问题或捕获的前沿问题展开讨论;每月组织一次团队全体会议,由每个研究生小组汇报本月本小组的科研进展情况,对存在的问题进行探讨,寻找解决途径;团队负责人在每学期初对上一个学期整个团队的工作进展情况进行总结汇报,并提出下一阶段整个团队的工作目标。团队及其成员(包括导师及研究生)走出校门参加高水平学术交流活动给予一定的经费支持;不定期邀请校外及国外相关及相近学科的知名专家、学者来校做学术报告。

四、制定联合培养模式下的导师团队

培养制度每周定期组织导师及名下相关的研究生进行学术交流,在导师组的指导下,统一开题、安排值日和调配本导师组内的资源,共同制定研究生的培养计划,共同指导研究生的学习和科研,最终使所有的研究生在毕业时都能具备一定的科研能力,达到一定学术水平。指导小组的每位教师都要进行实质性的指导工作,由于每位教师的学术背景有所不同,这就让学生有机会接触不同学术风格的教授,有利于培养研究生的综合能力,扩大学生的知识范围。

每月定期举行研究生学术沙龙活动,研究生之间针对自己的课题进行研讨,在没有导师在场的情况下,通过自由的学术讨论,摆脱研究生的专业束缚,拓宽研究生的科研思路。

导师团队及研究生定期参加团队外的学术交流活动,如高教举办的学术论坛及相关学术会议,鼓励研究生撰写高水平学术论文,并在相关学术会议上宣读自己的学术成果;聘请海内外知名高校的学者进行讲学,将其他高校先进的研究生培养理念及知名学者前沿的学术思想灌输到团队中,拓展导师的研究思路,提高研究生的科研创新能力;定期派遣研究生到相关科研院所访学,利用其他科研院所的优势平台资源,开展短期联合培养研究生的工作,以达到优势互补、资源共享、共同培养高层次人才的目的。

导师团队中各导师的研究生共同学习,打破学科壁垒,消除门第偏见,将学科知识融会贯通,在科研实践和相互交流中拓宽视野。研究生的论文选题、实验设计、实验技术指导、论文写作指导、论文答辩由导师团队全面负责,学生可以从不同导师身上学到跨学科的研究方法、科研论文写作、科学技术操作等知识,保证其所获知识的前沿性,有助于培养研究生的创新能力,催生创新成果。

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