▲飛秒-納米時空分辨光學實驗系統。

▲團隊合影。

受訪者供圖

■本報記者 張雙虎

不論是體育賽事還是科學探索，挑戰極限一直是人們的夢想。在國家自然科學基金的支持下，中國科學院院士、北京大學教授龔旗煌團隊長期致力于挑戰科學前沿的“時空極限”研究，助力人們不斷拓寬認知的邊界。

“我們就是要在時間和空間上追求極限。”龔旗煌告訴《中國科學報》。在國家重大科研儀器研制項目“飛秒-納米時空分辨光學實驗系統”的支持下，該團隊成功研制出高時空分辨光電子成像系統。它可讓人們在納米（10-9米）量級（空間）和飛秒（10-14秒）量級（時間）上看清納米尺度結構及其時間演化，同時具備能量和動量分辨能力。該系統將推動等離激元光子學、量子材料、半導體材料等領域及其相關交叉學科在基礎和應用研究方面的革命性發展。

從“零”起步

當前，光信息處理、光顯示、光探測傳感等領域的技術迭代更新，光電功能器件向超高密度、超快速度、超低功耗方向不斷發展，研制基于新型材料的復合微納器件成為一大趨勢。這就要求人們弄清微納米尺度下的光電超快動力學過程。然而，長期以來，我國一直缺乏在相關領域的研究積累。

“我們的目標是在空間和時間維度上，把分辨率做到極限（納米量級和飛秒量級），并將二者結合起來，在極小的空間尺度下看清極快的變化過程，從而拓寬人們認知的邊界。”龔旗煌說。

人眼能分辨出100微米大小的物體，借助光學顯微鏡能看到200納米大小的物體，而電子顯微鏡則能讓人看清0.1納米大小的物體。有了這樣一套系統，就像擁有一臺10飛秒分辨率（比高速相機快1000萬倍）的特殊超高速相機，同時具備電子顯微鏡的空間分辨能力，可以看清楚小于10納米的結構。

2016年，在國家重大科研儀器研制項目的資助下，龔旗煌團隊開始研制“飛秒-納米時空分辨光學實驗系統”。

項目伊始，團隊面對的是一間400平方米空曠實驗室的改造任務。“飛秒-納米時空分辨光學實驗系統”對實驗條件要求極高，細小振動、微弱電磁干擾都會影響實驗精度。為達到要求，團隊精心測量實驗室振動、電磁場分布及變化，反復討論抗振、抗電磁干擾方案。最終，他們設計出一套主動電磁屏蔽及減少振動的方案，經精確測算后才交付施工。

對團隊來說，解決實驗室裝修難題只是萬里長征的第一步。在項目執行過程中，從系統設計與定制、搭建與優化、獲取信號，到儀器安裝、儀器測試，團隊都需要不斷摸索、反復推敲。

“這是一種全新的測量手段，從設計方案到技術實現都從未做過，因此我們要從零開始探索。”龔旗煌說。

攻堅過“坎兒”

“這個系統以前沒人做過，國際上也沒有經驗可供借鑒，所以我們要不斷嘗試，很多時候都是在試錯。”團隊成員、北京大學教授劉運全對《中國科學報》說，“有時候覺得好像都做對了，但就是得不到理想信號，只能一遍遍檢查、優化，鉆進每個細節中反復調試，這樣才能獲得最優指標。”

遇到的考驗多了，團隊形象地將問題和考驗稱作“坎兒”，解決一個難題就是過一個“坎兒”。

“每個‘坎兒’都是一次挑戰，每個‘坎兒’都不容易過，但要實現零的突破，就必須過無數個‘坎兒’。”團隊成員、北京大學教授級高工楊宏補充說。

該系統的核心模塊之一是超快極紫外光電子顯微鏡。團隊首先面臨產生高通量極紫外光源這個“坎兒”。研究人員基于氣體高次諧波產生技術，從理論模擬、實驗驗證到模塊設計，緊密合作，反復優化參數，將諧波轉化效率提高了兩個量級以上，最終產生了滿足要求的超快極紫外光源。

極紫外光源和光電子顯微鏡耦合難度極大，是另一個“坎兒”，涉及極紫外光在真空中傳播、偏轉、合束、聚焦等一系列技術難題。團隊成員充分論證，提出了特制微孔極紫外閃爍體光闌方案，解決了真空差分、極紫外光監測、合束以及時間和空間重合等技術挑戰，建立了緊湊、穩定的極紫外束線，最終成功研制出國內首臺基于氣體高次諧波的超快極紫外光電子顯微鏡。

類似的“坎兒”還有很多，團隊成員養成了細心的工作習慣和嚴謹、細致、求真的科學精神。他們一致認為，實現極限時空分辨，一定要堅持、再堅持一下，細致、再細致一點兒。

越“坎兒”無數后，研究人員總結出一些有趣的現象——很多重要突破都是在深夜或周末取得的。因此，在技術攻關的關鍵節點，團隊成員堅持利用周末或節假日繼續做實驗。

“有時候太累了，我們寧可在周五休息半天，也要在周末打起精神加油干。”楊宏說。

這個神奇的“周末出成果”規律主要是因為這些精密科學儀器最怕各種細微擾動。北京大學物理樓離地鐵4號線很近，夜深人靜地鐵停止了運行，此時正是研究人員進行實驗的黃金時段。要驗證一些“極限數據”“極限指標”時，研究人員經常選擇半夜開工。

挺進“第一梯隊”

“飛秒-納米時空分辨光學實驗系統”能看清材料的表面形貌，實時觀測電子的動力學過程，因此是半導體材料、表面物理等領域一個新的研究手段。該系統能揭示激發態載流子與激子、聲子、缺陷等相互作用的過程，可實現飛秒等離激元場的時空演化成像、拓撲缺陷的時空表征、微納米等離激元器件的功能表征及操控、金屬-半導體和二維材料中熱載流子的動力學特性等研究。

團隊研制出國內首臺基于氣體高次諧波的超快極紫外光發射電子顯微鏡，并對空間、能量和時間分辨進行了表征，性能指標達到了國際領先水平。極紫外光發射電子顯微鏡的成功研制，為介觀光子器件和微納米尺度下超快光物理研究提供了先進平臺，也為人類探索未知物質世界、發現新科學規律、實現技術變革提供了有力的研究工具。

目前，“飛秒-納米時空分辨光學實驗系統”兼具納米-飛秒極端時空分辨功能，已在相關學科研究領域展現出強大能力。借助該系統，他們在等離激元金屬納米結構、半導體異質結構、鈣鈦礦材料等多種體系的載流子動力學，以及冰單晶微納光纖光力學表征等領域已取得一批重要研究成果。在項目研制期間，團隊在《科學》《自然》等期刊發表論文160余篇；圍繞項目研制過程、重要技術難點及突破，申請專利25項，其中20項專利已獲授權。

“我們已經進入該領域的第一梯隊。”龔旗煌說，“經過這幾年磨煉，團隊有了很好的技術積累，利用該系統取得了一流成果。項目組正不斷對其性能進行提升，完善儀器管理，并對國內外用戶開放，提高大型儀器使用效率，服務科技創新和社會需求。”

《中國科學報》：該儀器目前在國際上處于什么水平？下一步，團隊的研究重點或該領域的發展方向是什么？

龔旗煌：這是世界上最先進的極限時空分辨實驗系統之一，國際上僅有少數幾個國家在研制相關設備。這是目前國內唯一一套系統，其部分指標已經達到了國際領先水平。

下一步，我們將繼續專注于基礎研究，為前沿探索、為人們拓寬知識邊界提供支撐。比如，在特殊二維材料、納米材料新物態或新變化過程研究中，讓人們在新的視野下重新認識物質的變化，拓展對材料、凝聚態、物理、光學的認識。在應用方面，我們為一些小尺度器件，比如芯片檢測、診斷，高精尖科學器件檢測、性能表征等提供支持。

《中國科學報》：從事科學研究，尤其是尖端科學儀器研究，需要具備哪些品質？

龔旗煌：這套系統從方案、路徑到工藝都需要我們研究人員自己去探索。因此，一是要耐得住寂寞，能承受長時間不出成果，甚至根本沒有結果的壓力；二是要有吃苦精神，做這樣一個系統很累、很辛苦，實驗關鍵期加班加點、連軸轉的情況很常見；三是必須有創新精神，前人沒做過，要相信自己；四是研制大型科研設施，沒有人可以包打天下，因此不但要有很高的個人素質，還需要有非常好的合作精神，協同攻關完成任務。

《中國科學報》：科學基金對該項目起到了怎樣的作用？

龔旗煌：在國家自然科學基金的長期穩定資助下，這支隊伍得到了很好的鍛煉，有了很好的積累。我們不但取得了一批前沿成果，也培養了一批后備力量。