基于SSMB原理，能获得高功率、高重频、窄带宽的相干辐射，波长可覆盖从太赫兹到极紫外（EUV）波段，有望为光子科学研究提供广阔的新机遇。《自然》评阅人对该研究高度评价，认为“展示了一种新的方法论”，“必将引起粒子加速器和同步辐射领域的兴趣”。《自然》相关评论文章写道：“该实验展示了如何结合现有两类主要加速器光源——同步辐射光源及自由电子激光——的特性。SSMB光源未来有望应用于EUV光刻和角分辨光电子能谱学等领域。”该论文一经刊发，立即引起国内外学术界及产业界的高度关注。

                  图1. SSMB原理验证实验示意图（图片来源：《自然》）

               图2. SSMB原理验证实验结果（图片来源：《自然》）

实验中，研究团队利用波长1064纳米的激光操控柏林MLS储存环内的电子束，使电子束绕环一整圈（周长48米）后形成精细的微结构，也即微聚束。微聚束会在激光波长及其高次谐波上辐射出高强度的窄带宽相干光，实验通过探测该辐射验证微聚束的形成。微聚束的形成，证明了电子的光学相位能以短于激光波长的精度逐圈关联，使得电子可被稳态地束缚在激光形成的光学势井中，验证了SSMB的工作机理。实验示意如图1所示，部分实验结果如图2所示。

SSMB概念由斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授赵午与其博士生Daniel Ratner于2010年提出。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。

有望为EUV光刻光源提供新技术路线 引发国际社会重点关注

“SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源，这是国际社会高度关注清华大学SSMB研究的重要原因。”唐传祥告诉记者。

在芯片制造的产业链中，光刻是集成电路芯片制造中复杂和关键的工艺步骤，光刻机是芯片产业链中必不可少的精密设备。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。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。荷兰ASML公司是目前世界上唯一的EUV光刻机供应商，最新型NXE:3400C单台售价大于1.5亿欧元。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。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。

“简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。”唐传祥说。大功率EUV光源的突破对于EUV光刻进一步的应用和发展至关重要。唐传祥说：“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。这需要SSMB EUV光源的持续科技攻关，也需要上下游产业链的配合，才能获得真正成功。

攻关正当其时 彰显国际合作格局

清华SSMB团队从2017年4月开始SSMB原理验证实验的理论分析和数值模拟。当年7月21日，唐传祥与赵午在清华组织召开首届SSMB合作会议，牵头成立了国际SSMB研究组，联合中、德、美等国家的科研人员，开始推动包括SSMB原理验证实验在内的各项研究。经过四年攻关，SSMB研究组取得了多项重要进展，成果领先世界。

“SSMB采用激光来对电子进行聚束，相比同步辐射光源常用的微波，聚束系统的波长缩短了5到6个数量级。因此，要验证SSMB的原理，需要加速器对电子纵向位置（相位）逐圈变化有非常高的控制精度，而德国PTB的MLS储存环在这一方面最接近SSMB的实验需求。经过老师们的前期联系与沟通，德国的HZB及PTB两家机构积极加入研究团队，与我们开展合作研究。”全程参与赴德实验的清华大学工物系2015级博士生邓秀杰介绍说。

从2017年始，清华团队成员先后8次前往柏林，参与从实验准备到操作的各个环节，经过长时间的努力，实验于2019年8月18日取得成功。邓秀杰说：“SSMB涉及的物理效应多，实验难度大，团队经历了多次失败的尝试，在实验过程中不断加深对物理问题和实际加速器运行的认识，直到最后将问题一一解决。无法进行现场实验的时候，我们也没有停止工作，会就之前采集的实验数据进行理论分析，定期召开工作会议，以及进行邮件或在线讨论等。”“此外，SSMB实验团队是一个国际合作团队，从开始的磨合到逐渐熟悉理解再到渐入佳境，整个团队一致认为我们真正实现了‘1+1>>2’，大家对未来进一步的合作都充满了信心。”邓秀杰补充道。

破解“卡脖子”难题 清华勇担重担

“我国高校要勇挑重担，释放高校基础研究、科技创新潜力”，2020年9月22日，习近平总书记在教育文化卫生体育领域专家代表座谈会上，对高校加强创新、突破关键核心技术寄予厚望。

清华大学传承弘扬“顶天、立地、树人”的清华科研传统，增强服务国家科技自立自强的责任感、使命感和紧迫感。深化科研体制机制改革，创新科研组织模式。加强“从0到1”的基础研究，加快关键核心技术特别是“卡脖子”问题攻关。

瞄准世界科技前沿，对症下药。此次清华大学工程物理系唐传祥研究组与国际合作团队在“稳态微聚束”（SSMB）这样一个有望解决关键领域、需要破解“卡脖子”课题的地方下大力气，在前瞻性、战略性领域持续加大关键核心技术攻关创新力度，着力增强自主创新能力，服务国家创新驱动发展战略。

目前，清华大学正积极支持和推动SSMB EUV光源在国家层面的立项工作。清华SSMB研究组已向国家发改委提交“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书，申报“十四五”国家重大科技基础设施。

清华大学工物系唐传祥教授和HZB的Jörg Feikes博士为本文通讯作者，清华大学工物系2015级博士生邓秀杰为第一作者。该研究得到了清华大学自主科研专项的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03203-0

素材提供：工物系

编辑：李华山

审核：吕婷

文章来源：清华大学新闻网