Réseau d'information Tsinghua2lune25Nouvelles du Japon(journalisteWen XingyuLe 25 février, le groupe de recherche de Tang Chuanxiang, professeur au département de physique de l'ingénierie de l'université Tsinghua, et une équipe de collaboration du Centre Helmholtz pour les matériaux et l'énergie de Berlin (HZB) et de l'Institut fédéral allemand de physique et de technologie (PTB) ont publié un article dans Nature (Nature) a publié un article de recherche intitulé « Démonstration expérimentale du mécanisme de micro-groupement en régime permanent », rapportant l'expérience de vérification du premier principe d'un nouveau type de source de lumière d'accélérateur de particules « Micro-groupement en régime permanent (SSMB) ».

S’appuyant sur le principe SSMB, il est possible d’obtenir un rayonnement cohérent de haute puissance, à haute fréquence de répétition et à bande passante étroite, dont la longueur d’onde couvre les bandes térahertz à l’ultraviolet extrême (EUV). Cette technologie devrait offrir de nouvelles perspectives prometteuses pour la recherche en physique des photons. Le critique de la revue « Nature » ​​a salué cette recherche, affirmant qu’elle « démontre une nouvelle méthodologie » et « suscitera assurément un vif intérêt dans les domaines des accélérateurs de particules et du rayonnement synchrotron ». Un article de synthèse connexe, également paru dans « Nature », précise : « Cette expérience démontre comment combiner les caractéristiques des deux principaux types de sources lumineuses pour accélérateurs existants : les sources de rayonnement synchrotron et les lasers à électrons libres. La source lumineuse SSMB devrait trouver des applications futures dans des domaines tels que la lithographie EUV et la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire. » Dès sa publication, l’article a suscité un vif intérêt au sein des milieux universitaires et industriels, tant en Chine qu’à l’étranger.

Figure 1. Schéma de l'expérience de vérification du principe SSMB (Source de l'image : « Nature »)

Figure 2. Résultats expérimentaux de vérification du principe SSMB (Source de l'image : « Nature »)

Dans cette expérience, l'équipe de recherche a utilisé un laser d'une longueur d'onde de 1064 nanomètres pour contrôler le faisceau d'électrons dans l'anneau de stockage MLS de Berlin. Ce faisceau a ainsi décrit un cercle complet (48 mètres de circonférence) afin de former une microstructure fine, un micro-groupement. Ce micro-groupement émet une lumière cohérente de haute intensité et à bande passante étroite, à la longueur d'onde du laser et à ses harmoniques supérieures. La formation du micro-groupement a été vérifiée par la détection de ce rayonnement. Ce phénomène prouve que les phases optiques des électrons peuvent être corrélées de cercle en cercle avec une précision inférieure à la longueur d'onde du laser, permettant ainsi aux électrons d'être liés de manière stable dans le puits de potentiel optique créé par le laser. Ceci confirme le mécanisme de fonctionnement du SSMB. Le schéma expérimental est présenté sur la figure 1 et certains résultats expérimentaux sont illustrés sur la figure 2.

Le concept SSMB a été proposé en 2010 par Zhao Wu, professeur à l'université de Stanford et professeur invité émérite à l'université Tsinghua, et son doctorant Daniel Ratner. Zhao Wu continue de promouvoir la recherche et la coopération internationale au sein du SSMB. En 2017, Tang Chuanxiang et Zhao Wu ont lancé l'expérience. L'équipe de recherche de Tang Chuanxiang a mené à bien l'analyse théorique et la conception physique de l'expérience, développé le système laser pour l'essai, réalisé des expériences avec des équipes partenaires, et finalisé l'analyse des données expérimentales et la rédaction de l'article.

devrait êtreEUVLa source lumineuse lithographique ouvre de nouvelles perspectives technologiques.attirant l'attention de la communauté internationale

« L’une des applications potentielles de la source lumineuse SSMB est son utilisation comme source de lumière pour les futures machines de lithographie EUV. C’est une raison importante pour laquelle la communauté internationale suit de près les recherches menées par l’Université Tsinghua sur la SSMB », a déclaré Tang Chuanxiang aux journalistes.

Dans la chaîne de production des semi-conducteurs, les machines de photolithographie sont des équipements de précision indispensables et constituent l'étape la plus complexe et critique du processus de fabrication des puces de circuits intégrés. La résolution d'exposition de la machine de lithographie est directement liée à la longueur d'onde. Depuis plus d'un demi-siècle, la longueur d'onde de la source lumineuse de la machine de lithographie n'a cessé de diminuer. La nouvelle génération de technologie de lithographie dominante, reconnue par l'industrie des semi-conducteurs, est la lithographie EUV (lumière ultraviolette extrême) avec une longueur d'onde de 13.5 nanomètres. Le fonctionnement de la machine de lithographie EUV revient à utiliser une lumière ultraviolette extrême dont la longueur d'onde est seulement un dix-millième du diamètre d'un cheveu pour « graver » les circuits sur la plaquette. À terme, une puce de la taille d'un ongle contiendra des dizaines de milliards de transistors. Cet équipement et cette technologie témoignent du summum du développement technologique humain. La société néerlandaise ASML est actuellement le seul fournisseur mondial de machines de lithographie EUV, chaque machine étant vendue à plus de 100 millions de dollars américains.

La source de lumière EUV haute puissance est l'élément central des machines de lithographie EUV. ASML utilise actuellement un laser pulsé à haute énergie pour bombarder une cible d'étain liquide afin de former un plasma, puis générer une source de lumière EUV d'une longueur d'onde de 13.5 nanomètres et d'une puissance d'environ 250 watts. Avec la miniaturisation croissante des puces, les exigences en matière de puissance des sources de lumière EUV devraient continuer d'augmenter, pour atteindre le niveau du kilowatt.

« En résumé, la lumière EUV requise par la machine de lithographie nécessite une longueur d'onde courte et une puissance élevée », a déclaré Tang Chuanxiang. Les avancées dans le domaine des sources de lumière EUV haute puissance sont cruciales pour le développement et l'application future de la lithographie EUV. Tang Chuanxiang a ajouté : « Les sources de lumière EUV basées sur la technologie SSMB devraient atteindre une puissance moyenne élevée et pourraient être étendues à des longueurs d'onde plus courtes, offrant ainsi une solution novatrice pour les avancées dans le domaine des sources de lumière EUV haute puissance. »

La recherche et le développement indépendants des machines de lithographie EUV ont encore un long chemin à parcourir. Les sources lumineuses EUV basées sur la technologie SSMB devraient permettre de résoudre le problème fondamental de blocage rencontré dans ce domaine. Pour y parvenir, il est indispensable de poursuivre les recherches technologiques sur les sources lumineuses EUV SSMB et de collaborer avec l'ensemble des acteurs des chaînes de valeur en amont et en aval.

Le moment est venu de s'attaquer aux problèmes clés.Démontrer le modèle de coopération internationale

L'équipe SSMB de Tsinghua a entamé l'analyse théorique et la simulation numérique de l'expérience de vérification du principe SSMB en avril 2017. Le 21 juillet de la même année, Tang Chuanxiang et Zhao Wu ont organisé la première réunion de coopération SSMB à Tsinghua et ont pris l'initiative de créer un groupe de recherche international sur le SSMB. Ils ont uni leurs forces à celles de chercheurs chinois, allemands, américains et d'autres pays pour promouvoir diverses études, dont les expériences de vérification du principe SSMB. Après quatre années de recherche, l'équipe SSMB a réalisé d'importantes avancées et obtenu des résultats de pointe à l'échelle mondiale.

« Le SSMB utilise des lasers pour focaliser les électrons. Comparée aux micro-ondes couramment utilisées dans les sources de rayonnement synchrotron, la longueur d'onde du système de focalisation est réduite de cinq à six ordres de grandeur. Par conséquent, pour vérifier le principe du SSMB, un accélérateur doit présenter une très grande précision de contrôle de la variation de la position longitudinale (phase) des électrons d'un cycle à l'autre. L'anneau de stockage LS du PTB en Allemagne est celui qui répond le mieux aux besoins expérimentaux du SSMB à cet égard. Après des échanges préliminaires entre les enseignants-chercheurs, deux institutions allemandes, le HZB et le PTB, ont rejoint activement l'équipe de recherche et ont mené une collaboration fructueuse avec nous », a déclaré Deng Xiujie, doctorant en 2015 au Département d'ingénierie et de physique de l'Université Tsinghua, qui a participé à l'intégralité de l'expérience en Allemagne.

Depuis 2017, les membres de l'équipe de Tsinghua se sont rendus à Berlin à huit reprises pour participer à toutes les étapes de l'expérience, de la préparation à la réalisation. Après une longue période de travail acharné, l'expérience a été couronnée de succès le 31 août 2019. Deng Xiujie a déclaré : « Le SSMB implique de nombreux phénomènes physiques et les expériences sont complexes. L'équipe a essuyé de nombreux échecs et a continué d'approfondir sa compréhension des problèmes physiques et du fonctionnement concret de l'accélérateur tout au long de l'expérience, jusqu'à ce qu'elle parvienne à résoudre les problèmes un à un. Lorsqu'il était impossible de mener des expériences sur place, nous n'avons pas cessé de travailler et avons procédé à une analyse théorique des données expérimentales collectées précédemment, tenu des réunions de travail régulières et échangé par courriel ou en ligne. » Il a ajouté : « De plus, l'équipe expérimentale SSMB est une équipe de coopération internationale. Des premiers pas hésitants à la familiarisation et à la compréhension progressives, jusqu'à l'amélioration continue, toute l'équipe s'accorde à dire que nous avons véritablement atteint le principe « 1 + 1 >> 2 », et chacun est pleinement confiant dans la poursuite de cette coopération à l'avenir. »

Résoudre le problème du « cou coincé »L'université Tsinghua assume courageusement cette lourde responsabilité.

« Les universités de mon pays doivent assumer courageusement leurs lourdes responsabilités et libérer le potentiel de la recherche fondamentale et de l'innovation scientifique et technologique au sein des universités. » Le 22 septembre 2020, le secrétaire général Xi Jinping a exprimé de grands espoirs quant à la capacité des universités à renforcer l'innovation et à réaliser des percées dans les technologies clés lors d'un symposium réunissant des experts des domaines de l'éducation, de la culture, de la santé et du sport.

L'Université Tsinghua perpétue la tradition de recherche scientifique de Tsinghua, fondée sur l'ambition de « garder le ciel, s'ancrer dans la réalité et former les individus », et renforce son sens des responsabilités, sa mission et son engagement à contribuer à l'autonomie scientifique et technologique du pays. Elle approfondit la réforme des systèmes et mécanismes de recherche scientifique et innove en matière de modèles organisationnels. Elle consolide la recherche fondamentale (« de zéro à un ») et accélère la recherche sur les technologies clés, notamment les problématiques les plus complexes.

Visez l'avant-garde de la science et de la technologie mondiales et proposez les solutions les plus adaptées. Cette fois-ci, l'équipe de recherche de Tang Chuanxiang, au sein du département de physique de l'ingénierie de l'université Tsinghua, et son équipe de coopération internationale, ont déployé des efforts considérables dans le domaine du « micro-groupement en régime permanent » (SSMB), un axe de recherche clé qui devrait permettre de résoudre des problèmes majeurs et de lever des blocages. Ils continuent d'intensifier leurs efforts de recherche et d'innovation dans des technologies fondamentales et stratégiques, s'efforçant de renforcer leurs capacités d'innovation indépendantes et contribuant ainsi à la stratégie nationale de développement axée sur l'innovation.

L'Université Tsinghua soutient et promeut activement, au niveau national, le projet de mise en place d'une source de lumière EUV SSMB. Son groupe de recherche a soumis à la Commission nationale du développement et de la réforme une proposition de projet intitulée « Dispositif de recherche sur une source de lumière ultraviolette extrême à micro-groupement en régime permanent », dans le cadre du 14e plan quinquennal, en vue de son intégration comme infrastructure scientifique et technologique nationale majeure.

Le professeur Tang Chuanxiang du département d'ingénierie de l'université Tsinghua et le docteur Jörg Feikes du HZB sont les auteurs correspondants de cet article, et Deng Xiujie, doctorant en 2015 au département d'ingénierie de l'université Tsinghua, en est le premier auteur. Ces travaux de recherche ont été financés par le programme de recherche scientifique indépendante de l'université Tsinghua.