清华新闻网2月亮25日本新闻（记者文星宇2月25日，清华大学工程物理系唐传祥教授的研究团队，以及来自柏林亥姆霍兹材料与能源中心（HZB）和德国联邦物理技术研究所（PTB）的合作团队，在《自然》杂志上发表了一篇论文（自然）发表了一篇题为“稳态微聚束机制的实验验证”的研究论文，报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束（SSMB）”的第一原理验证实验。

基于同步辐射调制（SSMB）原理，可以获得高功率、高重复频率、窄带宽的相干辐射，其波长覆盖太赫兹到极紫外（EUV）波段，有望为光子科学研究开辟广阔的新机遇。《自然》杂志的审稿人高度评价了这项研究，称其“展示了一种新的方法”，并“必将引起粒子加速器和同步辐射领域的关注”。《自然》杂志的一篇相关评论文章写道：“该实验展示了如何将现有两大类加速器光源——同步辐射光源和自由电子激光器的特性结合起来。SSMB光源有望在未来应用于极紫外光刻和角分辨光电子能谱等领域。”论文发表后，立即引起了国内外学术界和产业界的广泛关注。

图1. SSMB原理验证实验示意图（图片来源：《自然》杂志）

图2. SSMB原理验证实验结果（图片来源：《自然》杂志）

在实验中，研究团队使用波长为1064纳米的激光器控制柏林MLS储存环中的电子束，使电子束绕环运行一周（周长48米），形成精细的微结构，即微束团。微束团会辐射出强度高、带宽窄的相干光，其波长与激光波长及其高次谐波相同。实验通过探测这种辐射验证了微束团的形成。微束团的形成证明，电子的光学相位可以逐圈关联，精度小于激光波长，从而使电子能够稳定地束缚在激光形成的光学势阱中，验证了SSMB的工作机制。实验示意图如图1所示，部分实验结果如图2所示。

SSMB概念由斯坦福大学教授、清华大学特聘访问教授赵武及其博士生丹尼尔·拉特纳于2010年提出。赵武教授持续推动SSMB的研究和国际合作。2017年，唐传祥教授与赵武教授共同启动了实验。唐传祥教授的研究团队完成了实验的理论分析和物理设计，开发了用于测试实验的激光系统，并与合作单位开展了实验，最终完成了实验数据分析和论文撰写。

预期是EUV光刻光源提供了一种新的技术途径引起国际社会的关注

“SSMB光源的潜在应用之一是作为未来极紫外光刻机的光源。这也是国际社会密切关注清华大学SSMB研究的重要原因之一。”唐传祥告诉记者。

在芯片制造产业链中，光刻机是不可或缺的精密设备，也是集成电路芯片制造中最复杂、最关键的工艺步骤。光刻机的曝光分辨率与波长直接相关。半个多世纪以来，光刻机光源的波长一直在不断缩短。芯片行业公认的新一代主流光刻技术是波长为13.5纳米的极紫外（EUV）光刻技术。EUV光刻机的工作原理相当于利用波长仅为头发丝直径万分之一的极紫外光在晶圆上“雕刻”电路。最终，一块指甲盖大小的芯片将包含数百亿个晶体管。这项设备和技术代表了人类科技发展的巅峰水平。目前，荷兰ASML公司是全球唯一的EUV光刻机供应商，每台EUV光刻机的售价超过100亿美元。

高功率极紫外（EUV）光源是EUV光刻机的核心部件。ASML目前采用高能脉冲激光轰击液态锡靶形成等离子体，进而产生波长为13.5纳米、功率约为250瓦的EUV光源。随着芯片工艺节点的不断缩小，对EUV光源功率的需求预计将持续增长，达到千瓦级。

唐传祥表示：“简而言之，光刻机所需的极紫外光需要短波长和高功率。” 高功率极紫外光源的突破对于极紫外光刻技术的进一步应用和发展至关重要。唐传祥说：“基于SSMB的极紫外光源有望实现高平均功率，并具有扩展到更短波长的潜力，为高功率极紫外光源的突破提供新的解决方案。”

EUV光刻机的自主研发仍任重道远。基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机过程中遇到的核心“瓶颈”问题。这需要对SSMB EUV光源进行持续的技术研究，并需要上下游产业链的通力合作才能取得真正的成功。

现在正是解决关键问题的合适时机展示国际合作模式

清华大学SSMB团队于2017年4月启动了SSMB原理验证实验的理论分析和数值模拟。同年7月21日，唐传祥和赵武在清华大学组织召开了第一次SSMB合作会议，并牵头组建了国际SSMB研究团队。他们与来自中国、德国、美国等国家的科研人员携手合作，开展了包括SSMB原理验证实验在内的多项研究。经过四年的研究，SSMB研究团队取得了一系列重要进展，研究成果处于世界领先地位。

“SSMB利用激光聚焦电子。与同步辐射光源中常用的微波相比，其聚焦系统的波长缩短了5到6个数量级。因此，为了验证SSMB的原理，需要加速器对电子纵向位置（相位）的逐圈变化具有极高的控制精度，而德国PTB的LS储存环在这方面最符合SSMB的实验需求。经过教师间的初步接触和沟通，德国的两家机构——亥姆霍兹柏林中心（HZB）和PTB——积极加入了研究团队，与我们开展了合作研究。”清华大学工程与物理系2015届博士生邓秀杰说道，他全程参与了在德国进行的实验。

自2017年以来，清华团队成员已八次前往柏林，参与了从准备到运行的各个环节。经过长时间的努力，实验于2019年8月31日成功完成。邓秀杰表示：“超导超导磁体（SSMB）实验涉及诸多物理效应，难度很高。团队经历了多次失败，并在实验过程中不断加深对物理问题和加速器实际运行的理解，最终逐一解决了所有问题。即使无法进行现场实验，我们也没有停止工作，而是对之前收集的实验数据进行理论分析，定期召开工作会议，并通过邮件或网络进行讨论。”他还补充道：“此外，SSMB实验团队是一个国际合作团队。从最初的磨合，到逐渐熟悉和理解，再到逐步改进，整个团队一致认为我们真正实现了‘1+1>>2’，大家对未来的进一步合作充满信心。”

解决“颈部僵硬”问题清华大学勇敢地承担起这份沉重的责任

“我国高校必须勇敢地承担起重大责任，释放高校基础研究和科技创新的潜力。” 2020年9月22日，习近平总书记在教育、文化、卫生和体育领域专家代表座谈会上，对高校加强创新、突破关键核心技术寄予厚望。

清华大学继承并发扬“托天立地，养育人才”的清华科研传统，增强服务国家科技自立的责任感、使命感和紧迫感，深化科研体制机制改革，创新科研组织模式，加强“从0到1”的基础研究，加快重点核心技术，特别是“卡颈”难题的攻关。

瞄准世界科技前沿，开出精准的“良药”。此次，清华大学工程物理系唐传祥课题组及其国际合作团队在“稳态微聚束”（SSMB）这一有望解决关键领域、亟需突破“瓶颈”的领域取得了显著成果。他们持续加大前沿战略领域核心技术研发创新力度，努力提升自主创新能力，服务于国家创新驱动发展战略。

目前，清华大学正积极支持和推进国家级稳态微聚束极紫外光源（SSMB EUV光源）项目的建设。清华SSMB研究团队已向国家发展和改革委员会提交了“稳态微聚束极紫外光源研究装置”项目申请，申请成为“十四五”国家重大科技基础设施项目。

本文通讯作者为清华大学工程学院唐传祥教授和亥姆霍兹生物技术研究院Jörg Feikes博士，第一作者为清华大学工程学院2015级博士研究生邓秀杰。本研究由清华大学自主科研项目资助。