شبكة أخبار تسينغهوا2هلال25أخبار اليابان(مراسل)ون شينغيوفي 25 فبراير، نشرت المجموعة البحثية بقيادة تانغ تشوانشيانغ، الأستاذ في قسم الفيزياء الهندسية بجامعة تسينغهوا، وفريق تعاوني من مركز هيلمهولتز للمواد والطاقة في برلين (HZB) والمعهد الاتحادي الألماني للفيزياء والتكنولوجيا (PTB) ورقة بحثية في مجلة Nature (الطبيعة) نشر ورقة بحثية بعنوان "العرض التجريبي لآلية التجميع الدقيق في الحالة المستقرة"، والتي أبلغت عن أول تجربة للتحقق من المبدأ لنوع جديد من مصدر ضوء مسرع الجسيمات "التجميع الدقيق في الحالة المستقرة (SSMB)".

استنادًا إلى مبدأ SSMB، يُمكن الحصول على إشعاع متماسك عالي القدرة وعالي التردد وذو نطاق ترددي ضيق، ويغطي طول موجته نطاقات الترددات من تيراهيرتز إلى الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV)، مما يُتوقع أن يُتيح فرصًا جديدة واسعة النطاق لأبحاث الفوتونات العلمية. وقد أشاد مُراجع مجلة "نيتشر" بهذا البحث، قائلًا إنه "يُبرهن على منهجية جديدة" و"سيُثير بالتأكيد اهتمامًا في مجالات مُسرّعات الجسيمات وإشعاع السنكروترون". وكتبت مقالة مراجعة ذات صلة في "نيتشر": "تُوضح هذه التجربة كيفية الجمع بين خصائص النوعين الرئيسيين من مصادر ضوء المُسرّعات الموجودة - مصادر ضوء إشعاع السنكروترون وليزر الإلكترون الحر. ومن المتوقع استخدام مصدر ضوء SSMB في مجالات مثل الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) وقياس طيف الإلكترونات الضوئية المُحلَّل زاويًا في المستقبل". وبمجرد نشر الورقة البحثية، حظيت باهتمام كبير من الأوساط الأكاديمية والصناعية المحلية والأجنبية.

الشكل 1. رسم تخطيطي لتجربة التحقق من مبدأ SSMB (مصدر الصورة: "Nature")

الشكل 2. نتائج تجريبية للتحقق من مبدأ SSMB (مصدر الصورة: "Nature")

في هذه التجربة، استخدم فريق البحث ليزرًا بطول موجي 1064 نانومترًا للتحكم في حزمة الإلكترونات داخل حلقة التخزين MLS في برلين، بحيث تُشكّل الحزمة دائرة كاملة (محيطها 48 مترًا) لتكوين بنية دقيقة، أي حزمة ميكروية. تُشعّ هذه الحزمة الميكروية ضوءًا متماسكًا عالي الكثافة وضيق النطاق الترددي عند طول موجة الليزر وتوافقياته الأعلى. وقد تحققت التجربة من تكوّن الحزمة الميكروية من خلال رصد هذا الإشعاع. يُثبت تكوّن الحزمة الميكروية إمكانية ربط الأطوار الضوئية للإلكترونات دورةً بدورة بدقة أقصر من طول موجة الليزر، مما يسمح بربط الإلكترونات بثبات في بئر الجهد الضوئي الذي يُشكّله الليزر، وهو ما يُؤكد آلية عمل SSMB. يوضح الشكل 1 المخطط التجريبي، بينما يُظهر الشكل 2 بعض النتائج التجريبية.

طُرح مفهوم مركز SSMB في عام 2010 من قِبل تشاو وو، الأستاذ بجامعة ستانفورد والأستاذ الزائر المتميز بجامعة تسينغهوا، وطالبه في الدكتوراه دانيال راتنر. ويواصل تشاو وو تعزيز البحث والتعاون الدولي في المركز. في عام 2017، بدأ تانغ تشوانشيانغ وتشاو وو التجربة. وقاد فريق تانغ تشوانشيانغ البحثي إنجاز التحليل النظري والتصميم الفيزيائي للتجربة، وطوّر نظام الليزر المستخدم في التجربة، وأجرى التجارب مع الوحدات المتعاونة، وأتمّ تحليل البيانات التجريبية وكتابة المقال.

من المتوقع أن يكونفوق البنفسجييوفر مصدر الضوء المستخدم في الطباعة الحجرية مسارًا تكنولوجيًا جديدًاجذب انتباه المجتمع الدولي

"يُعدّ استخدام مصدر الضوء SSMB كمصدر ضوئي لأجهزة الطباعة الحجرية بتقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) المستقبلية أحد التطبيقات المحتملة لهذا المصدر. وهذا سببٌ هامٌّ يجعل المجتمع الدولي يولي اهتماماً بالغاً لأبحاث جامعة تسينغهوا في هذا المجال." هذا ما صرّح به تانغ تشوانشيانغ للصحفيين.

في سلسلة صناعة تصنيع الرقائق الإلكترونية، تُعدّ آلات الطباعة الضوئية معدات دقيقة لا غنى عنها، وتُمثّل الخطوة الأكثر تعقيدًا وحساسية في عملية تصنيع رقائق الدوائر المتكاملة. ترتبط دقة التعريض الضوئي لآلة الطباعة الضوئية ارتباطًا مباشرًا بالطول الموجي. على مدار أكثر من نصف قرن، ظلّ الطول الموجي لمصدر الضوء في آلة الطباعة الضوئية يتقلص باستمرار. يُعتبر الجيل الجديد من تقنيات الطباعة الضوئية السائدة في صناعة الرقائق هو الطباعة الضوئية باستخدام مصدر ضوء فوق بنفسجي شديد (EUV) بطول موجي يبلغ 13.5 نانومتر. يُعادل عمل آلة الطباعة الضوئية باستخدام مصدر ضوء فوق بنفسجي شديد بطول موجي لا يتجاوز جزءًا من عشرة آلاف من قطر شعرة، "نقش" الدوائر على الرقاقة. في نهاية المطاف، ستحتوي رقاقة بحجم ظفر الإصبع على عشرات المليارات من الترانزستورات. تُجسّد هذه المعدات وهذه التقنية أعلى مستويات التطور التكنولوجي البشري. تُعد شركة ASML الهولندية حاليًا المورد الوحيد لآلات الطباعة الحجرية بتقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى في العالم، حيث تُباع كل آلة طباعة حجرية بتقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى بأكثر من 100 مليون دولار أمريكي.

يُعدّ مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى عالي الطاقة الركيزة الأساسية لآلة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى. تستخدم شركة ASML حاليًا ليزرًا نبضيًا عالي الطاقة لقصف هدف من القصدير السائل لتكوين بلازما، ومن ثم توليد مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى بطول موجي يبلغ 13.5 نانومتر وقدرة تقارب 250 واط. ومع استمرار تصغير أبعاد تصنيع الرقائق، من المتوقع أن تزداد متطلبات طاقة مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى، لتصل إلى مستوى الكيلوواط.

قال تانغ تشوانشيانغ: "باختصار، يتطلب ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) اللازم لآلة الطباعة الحجرية طول موجة قصيرًا وطاقة عالية". وأضاف أن تحقيق اختراقات في مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى عالية الطاقة أمر بالغ الأهمية لمزيد من تطبيق وتطوير الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى. وتابع تانغ تشوانشيانغ: "من المتوقع أن تحقق مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى القائمة على تقنية SSMB طاقة متوسطة كبيرة، ولديها القدرة على التوسع إلى أطوال موجية أقصر، مما يوفر حلاً جديدًا لتحقيق اختراقات في مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى عالية الطاقة".

لا يزال أمام البحث والتطوير المستقل لآلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى شوط طويل. ومن المتوقع أن تحل مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى القائمة على تقنية SSMB مشكلة "التعثر" الأساسية في البحث والتطوير المستقل لآلات الطباعة الحجرية. ويتطلب ذلك بحثًا تقنيًا مستمرًا على مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى بتقنية SSMB، وتعاونًا بين سلاسل الصناعة الأولية والنهائية لتحقيق نجاح حقيقي.

لقد حان الوقت المناسب لمعالجة المشاكل الرئيسيةأظهر نمط التعاون الدولي

بدأ فريق تسينغهوا لأنظمة SSMB التحليل النظري والمحاكاة العددية لتجربة التحقق من مبدأ SSMB في أبريل 2017. وفي 21 يوليو من العام نفسه، نظم تانغ تشوانشيانغ وتشاو وو أول اجتماع تعاوني لأنظمة SSMB في تسينغهوا، وقادا جهود تأسيس فريق بحث دولي متخصص في هذا المجال. وانضما إلى باحثين علميين من الصين وألمانيا والولايات المتحدة ودول أخرى لبدء تعزيز دراسات متنوعة، بما في ذلك تجارب التحقق من مبدأ SSMB. وبعد أربع سنوات من البحث، حقق فريق SSMB البحثي عددًا من الإنجازات المهمة، وحقق نتائج رائدة عالميًا.

يستخدم جهاز SSMB أشعة الليزر لتركيز الإلكترونات. وبالمقارنة مع الموجات الميكروية المستخدمة عادةً في مصادر إشعاع السنكروترون، فإن طول موجة نظام التركيز يُختصر بمقدار 5 إلى 6 مراتب. ولذلك، وللتحقق من مبدأ عمل SSMB، يلزم وجود مُسرِّع يتمتع بدقة تحكم عالية جدًا في تغيير الموضع الطولي (الطور) للإلكترونات من دورة إلى أخرى، وتُعد حلقة التخزين LS التابعة لمعهد PTB في ألمانيا الأقرب إلى الاحتياجات التجريبية لجهاز SSMB في هذا الجانب. وقال دينغ شيوجي، طالب الدكتوراه لعام 2015 في قسم الهندسة والفيزياء بجامعة تسينغهوا، والذي شارك في التجربة بأكملها في ألمانيا: "بعد التواصل الأولي بين الأساتذة، انضمت مؤسستان ألمانيتان، هما HZB وPTB، بنشاط إلى فريق البحث وأجرتا بحثًا تعاونيًا معنا".

منذ عام ٢٠١٧، سافر أعضاء فريق تسينغهوا إلى برلين ثماني مرات للمشاركة في جميع جوانب التجربة، بدءًا من التحضير وحتى التشغيل. وبعد فترة طويلة من العمل الجاد، تكللت التجربة بالنجاح في ٣١ أغسطس ٢٠١٩. صرّح دينغ شيوجي قائلاً: "تتضمن تجربة SSMB العديد من التأثيرات الفيزيائية، وتُعدّ التجارب صعبة. لقد مرّ الفريق بالعديد من المحاولات الفاشلة، واستمر في تعميق فهمه للمشاكل الفيزيائية وعمليات المُسرّع الفعلية أثناء التجربة، إلى أن تمكّن أخيرًا من حلّ المشاكل واحدة تلو الأخرى. عندما تعذّر إجراء التجارب في الموقع، لم نتوقف عن العمل، بل كنا نجري تحليلاً نظريًا للبيانات التجريبية التي جُمعت سابقًا، ونعقد اجتماعات عمل دورية، ونجري مناقشات عبر البريد الإلكتروني أو الإنترنت. إضافةً إلى ذلك، فإن فريق تجربة SSMB هو فريق تعاون دولي. منذ البداية وحتى التدرّج في التآلف والفهم والتحسّن التدريجي، اتفق الفريق بأكمله على أننا حققنا بالفعل إنجازًا كبيرًا، والجميع على ثقة تامة بمواصلة التعاون في المستقبل."

حل مشكلة "الرقبة العالقة"تتحمل جامعة تسينغهوا المسؤولية الجسيمة بشجاعة.

"يجب على جامعات بلادي أن تتحمل بشجاعة مسؤوليات جسيمة وأن تطلق العنان لإمكانات البحث الأساسي والابتكار العلمي والتكنولوجي في الجامعات." في 22 سبتمبر 2020، وضع الأمين العام شي جين بينغ آمالاً كبيرة على الجامعات لتعزيز الابتكار وتحقيق اختراقات في التقنيات الأساسية الرئيسية في ندوة لممثلي الخبراء في مجالات التعليم والثقافة والصحة والرياضة.

تستمد جامعة تسينغهوا إرثها العلمي العريق، الذي يقوم على مبدأ "رفع الأنظار، والتمسك بالأرض، وتنمية الكفاءات"، وتُعزز الشعور بالمسؤولية والرسالة والحاجة المُلحة لخدمة الاكتفاء الذاتي للبلاد في مجال العلوم والتكنولوجيا. كما تُعمّق الجامعة إصلاح أنظمة وآليات البحث العلمي، وتُطوّر نماذج تنظيمية جديدة للبحث العلمي، وتُعزز البحث الأساسي من الصفر إلى التطبيق العملي، وتُسرّع وتيرة البحث في التقنيات الأساسية، لا سيما تلك التي تُمثل تحديًا كبيرًا.

يهدف هذا المشروع إلى الريادة في مجال العلوم والتكنولوجيا العالمية، وتقديم الحلول الأمثل. وقد بذل فريق تانغ تشوانشيانغ البحثي في ​​قسم الفيزياء الهندسية بجامعة تسينغهوا، بالتعاون مع فريق دولي، جهودًا حثيثة في مجال "التجميع الدقيق في الحالة المستقرة" (SSMB)، وهو مجال محوري يُتوقع أن يساهم في حل المشكلات المعقدة التي تواجهها الشركات. ويواصل الفريق تكثيف جهوده في البحث والابتكار في التقنيات الأساسية في المجالات الاستراتيجية والتطلعية، ساعيًا إلى تعزيز قدرات الابتكار الذاتي، بما يخدم استراتيجية التنمية الوطنية القائمة على الابتكار.

تدعم جامعة تسينغهوا حاليًا مشروع إنشاء مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى بتقنية التجميع الدقيق في الحالة المستقرة على المستوى الوطني، وتسعى جاهدةً لتعزيزه. وقد قدم فريق البحث التابع للجامعة مقترحًا لمشروع "جهاز بحث مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى بتقنية التجميع الدقيق في الحالة المستقرة" إلى اللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح، وذلك ضمن خطة البنية التحتية الوطنية الرئيسية للعلوم والتكنولوجيا في "الخطة الخمسية الرابعة عشرة".

الأستاذ تانغ تشوانشيانغ من قسم الهندسة بجامعة تسينغهوا والدكتور يورغ فايكس من مركز هيلمهولتز برلين هما المؤلفان الرئيسيان لهذه المقالة، أما دنغ شيوجي، طالب الدكتوراه لعام ٢٠١٥ في قسم الهندسة بجامعة تسينغهوا، فهو المؤلف الأول. وقد حظي هذا البحث بدعم من مشروع بحثي علمي مستقل تابع لجامعة تسينغهوا.