Rede de Notícias Tsinghua2lua25Notícias do Japão(repórterWen Xing YuEm 25 de fevereiro, o grupo de pesquisa de Tang Chuanxiang, professor do Departamento de Engenharia Física da Universidade de Tsinghua, e uma equipe colaborativa do Centro Helmholtz de Materiais e Energia de Berlim (HZB) e do Instituto Federal Alemão de Física e Tecnologia (PTB) publicaram um artigo na Nature (Natureza) publicou um artigo de pesquisa intitulado "Demonstração experimental do mecanismo de microagrupamento em estado estacionário", relatando o primeiro experimento de verificação de princípio de um novo tipo de fonte de luz de acelerador de partículas "Microagrupamento em estado estacionário (SSMB)".

Com base no princípio do SSMB, é possível obter radiação coerente de alta potência, alta frequência de repetição e largura de banda estreita, com comprimento de onda que abrange desde a faixa de terahertz até o ultravioleta extremo (EUV), o que deverá proporcionar novas e amplas oportunidades para a pesquisa científica fotônica. O revisor da revista "Nature" elogiou bastante a pesquisa, afirmando que ela "demonstra uma nova metodologia" e "certamente despertará interesse nas áreas de aceleradores de partículas e radiação síncrotron". Um artigo de revisão relacionado na "Nature" escreveu: "Este experimento demonstra como combinar as características dos dois principais tipos de fontes de luz de aceleradores existentes: fontes de luz de radiação síncrotron e lasers de elétrons livres. Espera-se que a fonte de luz SSMB seja utilizada em áreas como litografia EUV e espectroscopia fotoeletrônica com resolução angular no futuro." Após a publicação do artigo, ele imediatamente atraiu grande atenção dos círculos acadêmicos e industriais nacionais e internacionais.

Figura 1. Diagrama esquemático do experimento de verificação do princípio do SSMB (Fonte da imagem: "Nature")

Figura 2. Resultados experimentais da verificação do princípio SSMB (Fonte da imagem: "Nature")

No experimento, a equipe de pesquisa utilizou um laser com comprimento de onda de 1064 nanômetros para controlar o feixe de elétrons no anel de armazenamento MLS em Berlim, de modo que o feixe descrevesse um círculo completo (circunferência de 48 metros) para formar uma microestrutura fina, ou seja, um microaglomerado. O microaglomerado emite luz coerente de alta intensidade e largura de banda estreita no comprimento de onda do laser e em seus harmônicos superiores. O experimento verificou a formação do microaglomerado detectando essa radiação. A formação do microaglomerado comprova que as fases ópticas dos elétrons podem ser correlacionadas círculo a círculo com uma precisão menor que o comprimento de onda do laser, permitindo que os elétrons sejam confinados de forma estável no poço de potencial óptico formado pelo laser, comprovando o mecanismo de funcionamento do SSMB. O esquema experimental é mostrado na Figura 1 e alguns resultados experimentais são apresentados na Figura 2.

O conceito do SSMB foi proposto em 2010 por Zhao Wu, professor da Universidade de Stanford e professor visitante ilustre da Universidade de Tsinghua, e seu aluno de doutorado, Daniel Ratner. Zhao Wu continua a promover a pesquisa e a cooperação internacional no âmbito do SSMB. Em 2017, Tang Chuanxiang e Zhao Wu iniciaram o experimento. O grupo de pesquisa de Tang Chuanxiang liderou a conclusão da análise teórica e do projeto físico do experimento, desenvolveu o sistema a laser para o experimento de teste, conduziu experimentos com unidades colaboradoras e concluiu a análise dos dados experimentais e a redação do artigo.

é esperado que sejaEUVA fonte de luz para litografia oferece uma nova rota tecnológica.atraindo a atenção da comunidade internacional

"Uma das aplicações potenciais da fonte de luz SSMB é como fonte de luz para futuras máquinas de litografia EUV. Este é um motivo importante pelo qual a comunidade internacional presta muita atenção à pesquisa da SSMB na Universidade de Tsinghua", disse Tang Chuanxiang a repórteres.

Na cadeia de produção de chips, as máquinas de fotolitografia são equipamentos de precisão indispensáveis ​​e a etapa mais complexa e crítica do processo de fabricação de circuitos integrados. A resolução de exposição da máquina de litografia está diretamente relacionada ao comprimento de onda. Por mais de meio século, o comprimento de onda da fonte de luz da máquina de litografia tem diminuído continuamente. A nova geração da tecnologia de litografia dominante reconhecida pela indústria de chips é a litografia EUV (luz ultravioleta extrema), com um comprimento de onda de 13.5 nanômetros. O trabalho da máquina de litografia EUV equivale a usar luz ultravioleta extrema com um comprimento de onda de apenas um décimo milésimo do diâmetro de um fio de cabelo para "esculpir" circuitos no wafer. Eventualmente, um chip do tamanho de uma unha conterá dezenas de bilhões de transistores. Este equipamento e tecnologia demonstram o mais alto nível de desenvolvimento tecnológico humano. A empresa holandesa ASML é atualmente a única fornecedora de máquinas de litografia EUV no mundo, com cada máquina sendo vendida por mais de US$ 100 milhões.

Uma fonte de luz EUV de alta potência é o elemento fundamental da máquina de litografia EUV. Atualmente, a ASML utiliza um laser pulsado de alta energia para bombardear um alvo de estanho líquido, formando um plasma e gerando uma fonte de luz EUV com comprimento de onda de 13.5 nanômetros e potência de aproximadamente 250 watts. Com a contínua miniaturização dos nós de processo de fabricação de chips, espera-se que a demanda por potência da fonte de luz EUV continue a aumentar, atingindo o nível de quilowatts.

"Em resumo, a luz EUV necessária para a máquina de litografia exige comprimento de onda curto e alta potência", disse Tang Chuanxiang. Avanços em fontes de luz EUV de alta potência são cruciais para a aplicação e o desenvolvimento da litografia EUV. Tang Chuanxiang afirmou: "Espera-se que as fontes de luz EUV baseadas em SSMB alcancem alta potência média e tenham potencial para expansão em comprimentos de onda mais curtos, oferecendo uma nova solução para avanços em fontes de luz EUV de alta potência."

A pesquisa e o desenvolvimento independentes de máquinas de litografia EUV ainda têm um longo caminho a percorrer. Espera-se que as fontes de luz EUV baseadas em SSMB resolvam o principal problema de "gargalo" na pesquisa e desenvolvimento independentes de máquinas de litografia. Isso requer pesquisa tecnológica contínua em fontes de luz EUV baseadas em SSMB e a cooperação das cadeias industriais a montante e a jusante para alcançar o sucesso real.

É o momento certo para abordar os problemas principais.Demonstrar o padrão de cooperação internacional

A equipe SSMB da Universidade Tsinghua iniciou a análise teórica e a simulação numérica do experimento de verificação do princípio do SSMB em abril de 2017. Em 21 de julho daquele ano, Tang Chuanxiang e Zhao Wu organizaram a primeira reunião de cooperação SSMB na Tsinghua e lideraram a criação de um grupo internacional de pesquisa em SSMB. Eles uniram forças com pesquisadores da China, Alemanha, Estados Unidos e outros países para promover diversos estudos, incluindo experimentos de verificação do princípio do SSMB. Após quatro anos de pesquisa, a equipe SSMB alcançou avanços importantes, com resultados que a colocam na vanguarda mundial.

"O SSMB utiliza lasers para focalizar elétrons. Comparado com as micro-ondas comumente usadas em fontes de radiação síncrotron, o comprimento de onda do sistema de focalização é reduzido em 5 a 6 ordens de magnitude. Portanto, para verificar o princípio do SSMB, é necessário um acelerador com altíssima precisão no controle da mudança da posição longitudinal (fase) dos elétrons de um círculo para o outro, e o anel de armazenamento LS do PTB, na Alemanha, é o que mais se aproxima das necessidades experimentais do SSMB nesse aspecto. Após contato e comunicação preliminares entre os professores, duas instituições alemãs, o HZB e o PTB, juntaram-se ativamente à equipe de pesquisa e realizaram pesquisas cooperativas conosco", disse Deng Xiujie, doutorando de 2015 do Departamento de Engenharia e Física da Universidade de Tsinghua, que participou de todo o experimento na Alemanha.

Desde 2017, os membros da equipe de Tsinghua viajaram para Berlim oito vezes para participar de todos os aspectos do experimento, da preparação à operação. Após um longo período de trabalho árduo, o experimento foi bem-sucedido em 31 de agosto de 2019. Deng Xiujie disse: "O SSMB envolve muitos efeitos físicos e os experimentos são difíceis. A equipe passou por muitas tentativas frustradas e continuou a aprofundar sua compreensão dos problemas físicos e das operações reais do acelerador durante o experimento, até que finalmente resolvemos os problemas um a um. Quando era impossível realizar experimentos no local, não paramos de trabalhar e realizávamos análises teóricas dos dados experimentais coletados anteriormente, fazíamos reuniões de trabalho regulares e conduzíamos discussões por e-mail ou online. Além disso, a equipe experimental do SSMB é uma equipe de cooperação internacional. Desde o contato inicial até a familiarização e compreensão graduais e a melhoria constante, toda a equipe concordou que realmente alcançamos '1+1>>2', e todos estão confiantes em futuras cooperações."

Resolva o problema do "pescoço travado"A Universidade de Tsinghua assume essa grande responsabilidade com bravura.

“As universidades do meu país devem assumir corajosamente grandes responsabilidades e liberar o potencial da pesquisa básica e da inovação científica e tecnológica nas universidades.” Em 22 de setembro de 2020, o Secretário-Geral Xi Jinping depositou grandes esperanças nas universidades para que fortaleçam a inovação e desenvolvam tecnologias essenciais, durante um simpósio com representantes especialistas nas áreas de educação, cultura, saúde e esportes.

A Universidade Tsinghua herda e leva adiante a tradição de pesquisa científica de Tsinghua de "alcançar o céu, firmar-se no chão e cultivar pessoas", e reforça o senso de responsabilidade, missão e urgência para servir à autossuficiência do país em ciência e tecnologia. Aprofunda a reforma dos sistemas e mecanismos de pesquisa científica e inova os modelos organizacionais de pesquisa científica. Fortalece a pesquisa básica "do zero ao um" e acelera a pesquisa em tecnologias essenciais, especialmente em problemas críticos.

Com o objetivo de estar na vanguarda da ciência e tecnologia mundiais, o grupo de pesquisa de Tang Chuanxiang, do Departamento de Engenharia Física da Universidade de Tsinghua, e sua equipe de cooperação internacional têm se dedicado intensamente ao "Microagrupamento em Estado Estacionário" (SSMB), uma área crucial que promete solucionar problemas críticos e gargalos tecnológicos. Eles continuam a intensificar a pesquisa e a inovação em tecnologias-chave em campos estratégicos e de vanguarda, buscando aprimorar a capacidade de inovação independente e contribuir para a estratégia nacional de desenvolvimento impulsionada pela inovação.

Atualmente, a Universidade Tsinghua está apoiando e promovendo ativamente o projeto de implantação da fonte de luz EUV SSMB em nível nacional. O grupo de pesquisa SSMB da Tsinghua submeteu uma proposta de projeto para o "Dispositivo de Pesquisa de Fonte de Luz Ultravioleta Extrema com Microagrupamento em Estado Estacionário" à Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma, solicitando uma importante infraestrutura nacional de ciência e tecnologia no "14º Plano Quinquenal".

O Professor Tang Chuanxiang, do Departamento de Engenharia da Universidade de Tsinghua, e o Dr. Jörg Feikes, do HZB, são os autores correspondentes deste artigo, e Deng Xiujie, aluno de doutorado de 2015 no Departamento de Engenharia da Universidade de Tsinghua, é o primeiro autor. Esta pesquisa foi financiada pelo projeto de pesquisa científica independente da Universidade de Tsinghua.