Red de Noticias de Tsinghua2Luna25Noticias de Japón(reporteroWen Xingyu) El 25 de febrero, el grupo de investigación de Tang Chuanxiang, profesor del Departamento de Física de la Ingeniería de la Universidad de Tsinghua, y un equipo colaborador del Centro Helmholtz de Materiales y Energía de Berlín (HZB) y del Instituto Federal Alemán de Física y Tecnología (PTB) publicaron un artículo en Nature (Nature) publicó un artículo de investigación titulado "Demostración experimental del mecanismo de microagrupamiento en estado estacionario", informando sobre el primer experimento de verificación de principios de un nuevo tipo de fuente de luz de acelerador de partículas "Microagrupamiento en estado estacionario (SSMB)".

Basándose en el principio SSMB, se puede obtener radiación coherente de alta potencia, alta frecuencia de repetición y ancho de banda estrecho, y la longitud de onda puede cubrir las bandas de terahercios a ultravioleta extremo (EUV), lo que se espera que brinde nuevas y amplias oportunidades para la investigación científica de fotones. El revisor de "Nature" elogió esta investigación, afirmando que "demuestra una nueva metodología" y "sin duda despertará interés en los campos de los aceleradores de partículas y la radiación sincrotrón". Un artículo de revisión relacionado en "Nature" escribió: "Este experimento demuestra cómo combinar las características de los dos tipos principales de fuentes de luz de acelerador existentes: las fuentes de luz de radiación sincrotrón y los láseres de electrones libres. Se espera que la fuente de luz SSMB se utilice en el futuro en campos como la litografía EUV y la espectroscopia de fotoelectrones resuelta angularmente". Tras su publicación, el artículo atrajo de inmediato gran atención de los círculos académicos e industriales nacionales e internacionales.

Figura 1. Diagrama esquemático del experimento de verificación del principio SSMB (Fuente de la imagen: "Nature")

Figura 2. Resultados experimentales de la verificación del principio SSMB (Fuente de la imagen: "Nature")

En el experimento, el equipo de investigación utilizó un láser con una longitud de onda de 1064 nanómetros para controlar el haz de electrones en el anillo de almacenamiento MLS en Berlín, de modo que el haz describiera un círculo completo (circunferencia de 48 metros) para formar una microestructura fina, es decir, un microhaz. El microhaz irradia luz coherente de banda estrecha y alta intensidad a la longitud de onda del láser y sus armónicos superiores. El experimento verificó la formación del microhaz mediante la detección de esta radiación. La formación del microhaz demuestra que las fases ópticas de los electrones pueden correlacionarse círculo a círculo con una precisión menor que la longitud de onda del láser, de modo que los electrones pueden quedar unidos de forma estable en el pozo de potencial óptico formado por el láser, verificando así el mecanismo de funcionamiento del SSMB. El esquema experimental se muestra en la Figura 1, y algunos resultados experimentales se muestran en la Figura 2.

El concepto SSMB fue propuesto en 2010 por Zhao Wu, profesor de la Universidad de Stanford y profesor visitante distinguido de la Universidad de Tsinghua, y su estudiante de doctorado Daniel Ratner. Zhao Wu continúa impulsando la investigación y la cooperación internacional en SSMB. En 2017, Tang Chuanxiang y Zhao Wu iniciaron el experimento. El grupo de investigación de Tang Chuanxiang lideró la finalización del análisis teórico y el diseño físico del experimento, desarrolló el sistema láser para la prueba, realizó experimentos con unidades colaboradoras y completó el análisis de datos experimentales y la redacción del artículo.

se espera que seaEUVLa fuente de luz para litografía ofrece una nueva ruta tecnológica.atrayendo la atención de la comunidad internacional

«Una de las posibles aplicaciones de la fuente de luz SSMB es su uso en futuras máquinas de litografía EUV. Esta es una razón importante por la que la comunidad internacional sigue de cerca la investigación sobre SSMB de la Universidad de Tsinghua», declaró Tang Chuanxiang a los periodistas.

En la cadena de producción de chips, las máquinas de fotolitografía son equipos de precisión indispensables y constituyen el paso más complejo y crítico del proceso de fabricación de circuitos integrados. La resolución de exposición de la máquina de litografía está directamente relacionada con la longitud de onda. Durante más de medio siglo, la longitud de onda de la fuente de luz de la máquina de litografía se ha ido reduciendo continuamente. La nueva generación de tecnología de litografía convencional, reconocida por la industria de los chips, es la litografía EUV (luz ultravioleta extrema) con una longitud de onda de 13.5 nanómetros. El funcionamiento de la máquina de litografía EUV equivale a utilizar luz ultravioleta extrema con una longitud de onda de tan solo una diezmilésima parte del diámetro de un cabello para "grabar" circuitos en la oblea. En última instancia, un chip del tamaño de una uña contendrá decenas de miles de millones de transistores. Este equipo y esta tecnología demuestran el máximo nivel de desarrollo tecnológico humano. La empresa holandesa ASML es actualmente el único proveedor de máquinas de litografía EUV en el mundo, y cada máquina se vende por más de 100 millones de dólares estadounidenses.

La fuente de luz EUV de alta potencia es el componente fundamental de la litografía EUV. Actualmente, ASML utiliza un láser de pulsos de alta energía para bombardear un blanco de estaño líquido, formando un plasma que genera una fuente de luz EUV con una longitud de onda de 13.5 nanómetros y una potencia de aproximadamente 250 vatios. A medida que los nodos de proceso de los chips se reducen, se prevé que los requisitos de potencia de la fuente de luz EUV sigan aumentando, hasta alcanzar el nivel de kilovatios.

En resumen, la luz EUV que requiere la máquina de litografía necesita una longitud de onda corta y alta potencia, explicó Tang Chuanxiang. Los avances en fuentes de luz EUV de alta potencia son cruciales para la aplicación y el desarrollo de la litografía EUV. Tang Chuanxiang añadió: «Se espera que las fuentes de luz EUV basadas en SSMB alcancen una alta potencia media y tengan el potencial de extenderse a longitudes de onda más cortas, lo que ofrece una nueva solución para lograr avances significativos en fuentes de luz EUV de alta potencia».

La investigación y el desarrollo independientes de máquinas de litografía EUV aún tienen un largo camino por recorrer. Se espera que las fuentes de luz EUV basadas en SSMB resuelvan el problema fundamental del estancamiento en la investigación y el desarrollo independientes de máquinas de litografía. Esto requiere una investigación tecnológica continua sobre las fuentes de luz EUV SSMB y la cooperación de las cadenas de valor industriales, tanto ascendentes como descendentes, para lograr un éxito real.

Es el momento adecuado para abordar problemas clave.Demostrar el patrón de cooperación internacional

El equipo SSMB de Tsinghua inició el análisis teórico y la simulación numérica del experimento de verificación del principio SSMB en abril de 2017. El 21 de julio de ese mismo año, Tang Chuanxiang y Zhao Wu organizaron la primera reunión de cooperación SSMB en Tsinghua y lideraron la creación de un grupo de investigación internacional sobre SSMB. Colaboraron con investigadores de China, Alemania, Estados Unidos y otros países para impulsar diversos estudios, incluyendo experimentos de verificación del principio SSMB. Tras cuatro años de investigación, el equipo de investigación SSMB ha logrado importantes avances, con resultados que marcan la pauta a nivel mundial.

"SSMB utiliza láseres para enfocar electrones. En comparación con las microondas comúnmente utilizadas en fuentes de radiación sincrotrón, la longitud de onda del sistema de enfoque se reduce entre 5 y 6 órdenes de magnitud. Por lo tanto, para verificar el principio de SSMB, se requiere un acelerador con una precisión de control muy alta para el cambio de la posición longitudinal (fase) de los electrones de un círculo a otro, y el anillo de almacenamiento LS del PTB en Alemania es el que más se ajusta a las necesidades experimentales de SSMB en este aspecto. Después de un contacto y comunicación preliminares entre los profesores, dos instituciones en Alemania, HZB y PTB, se unieron activamente al equipo de investigación y llevaron a cabo una investigación cooperativa con nosotros", dijo Deng Xiujie, estudiante de doctorado de 2015 en el Departamento de Ingeniería y Física de la Universidad de Tsinghua, quien participó en todo el experimento en Alemania.

Desde 2017, los miembros del equipo de Tsinghua han viajado a Berlín ocho veces para participar en todos los aspectos del experimento, desde la preparación hasta la operación. Tras un largo período de arduo trabajo, el experimento se llevó a cabo con éxito el 31 de agosto de 2019. Deng Xiujie comentó: "El SSMB implica numerosos efectos físicos y los experimentos son complejos. El equipo superó muchos intentos fallidos y continuó profundizando su comprensión de los problemas físicos y las operaciones reales del acelerador durante el experimento hasta que finalmente resolvieron los problemas uno por uno. Cuando fue imposible realizar experimentos in situ, no dejamos de trabajar y realizamos análisis teóricos de los datos experimentales recopilados previamente, celebramos reuniones de trabajo periódicas y mantuvimos discusiones por correo electrónico o en línea. Además, el equipo experimental del SSMB es un equipo de cooperación internacional. Desde el contacto inicial hasta la familiarización y comprensión graduales, y la mejora progresiva, todo el equipo coincidió en que realmente hemos logrado '1+1>>2', y todos confían plenamente en futuras colaboraciones".

Solucionar el problema del "cuello atascado"La Universidad de Tsinghua asume valientemente la gran responsabilidad.

“Las universidades de mi país deben asumir con valentía grandes responsabilidades y liberar el potencial de la investigación básica y la innovación científica y tecnológica en las universidades”. El 22 de septiembre de 2020, el secretario general Xi Jinping expresó su gran esperanza en que las universidades fortalezcan la innovación y logren avances en tecnologías clave durante un simposio de representantes expertos en los campos de la educación, la cultura, la salud y el deporte.

La Universidad de Tsinghua hereda y promueve la tradición científica de Tsinghua de "aspirar a lo más alto, mantener los pies en la tierra y formar personas", y fortalece el sentido de responsabilidad, misión y urgencia para contribuir a la autosuficiencia del país en ciencia y tecnología. Profundiza la reforma de los sistemas y mecanismos de investigación científica e innova los modelos organizativos de la investigación científica. Fortalece la investigación básica "desde cero" y acelera la investigación en tecnologías clave, especialmente en problemas complejos.

Apuntando a la vanguardia de la ciencia y la tecnología mundiales y aplicando las soluciones adecuadas. En esta ocasión, el grupo de investigación de Tang Chuanxiang en el Departamento de Ingeniería Física de la Universidad de Tsinghua y el equipo de cooperación internacional han realizado grandes esfuerzos en el campo de la "Microagrupación en Estado Estacionario" (SSMB), un área clave que se espera resuelva problemas fundamentales y limitantes. Continúan intensificando la investigación e innovación en tecnologías centrales clave en campos estratégicos y de vanguardia, esforzándose por potenciar la capacidad de innovación independiente y contribuyendo a la estrategia nacional de desarrollo impulsada por la innovación.

Actualmente, la Universidad de Tsinghua apoya y promueve activamente el establecimiento de un proyecto de fuente de luz ultravioleta extrema (EUV) SSMB a nivel nacional. El grupo de investigación SSMB de Tsinghua ha presentado una propuesta de proyecto para el "Dispositivo de investigación de fuente de luz ultravioleta extrema de microagrupamiento en estado estacionario" a la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma, solicitando su inclusión en el programa nacional de infraestructura científica y tecnológica del "14.º Plan Quinquenal".

El profesor Tang Chuanxiang, del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Tsinghua, y el Dr. Jörg Feikes, del HZB, son los autores correspondientes de este artículo. Deng Xiujie, estudiante de doctorado en 2015 del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Tsinghua, es el primer autor. Esta investigación fue financiada por el proyecto de investigación científica independiente de la Universidad de Tsinghua.