清華新聞網2月亮25日本新聞（記者文星宇2月25日，清華大學工程物理系唐傳祥教授的研究團隊，以及來自柏林亥姆霍茲材料與能源中心（HZB）和德國聯邦物理技術研究所（PTB）的合作團隊，在《自然》雜誌上發表了一篇論文（性質）發表了一篇題為「穩態微聚束機制的實驗驗證」的研究論文，報告了一種新型粒子加速器光源「穩態微聚束（SSMB）」的第一原理驗證實驗。

基於同步輻射調製（SSMB）原理，可以獲得高功率、高重複頻率、窄帶寬的相干輻射，其波長覆蓋太赫茲到極紫外線（EUV）波段，有望為光子科學研究開闢廣闊的新機會。 《自然》雜誌的審稿人高度評價了這項研究，稱其“展示了一種新的方法”，並“必將引起粒子加速器和同步輻射領域的關注”。 《自然》雜誌的一篇相關評論文章寫道：「該實驗展示瞭如何將現有兩大類加速器光源——同步輻射光源和自由電子激光器的特性結合起來。SSMB光源預計將在未來應用於極紫外光刻和角分辨光電子能譜等領域。」論文發表後，立即引起了國內外學術界和產業界的廣泛關注。

圖1. SSMB原理驗證實驗示意圖（圖片來源：《自然》雜誌）

圖2. SSMB原理驗證實驗結果（圖片來源：《自然》雜誌）

在實驗中，研究團隊使用波長為1064奈米的雷射控制柏林MLS儲存環中的電子束，使電子束繞環運作一週（週長48公尺），形成精細的微結構，即微束團。微束團會輻射出強度高、頻寬窄的相干光，其波長與雷射波長及其高次諧波相同。實驗透過探測這種輻射驗證了微束團的形成。微束團的形成證明，電子的光學相位可以逐圈關聯，精度小於雷射波長，使電子能夠穩定地束縛在雷射形成的光學勢阱中，驗證了SSMB的工作機制。實驗示意圖如圖1所示，部分實驗結果如圖2所示。

SSMB概念由史丹佛大學教授、清華大學特聘訪問教授趙武及其博士生丹尼爾·拉特納於2010年提出。趙武教授持續推動SSMB的研究和國際合作。 2017年，唐傳祥教授與趙武教授共同啟動了實驗。唐傳祥教授的研究團隊完成了實驗的理論分析和物理設計，開發了用於測試實驗的雷射系統，並與合作單位進行了實驗，最終完成了實驗數據分析和論文撰寫。

預計將極紫外光光刻光源提供了一種新的技術途徑引起國際社會的關注

「SSMB光源的潛在應用之一是作為未來極紫外光刻機的光源。這也是國際社會密切關注清華大學SSMB研究的重要原因之一。」唐傳祥告訴記者。

在晶片製造產業鏈中，光刻機是不可或缺的精密設備，也是積體電路晶片製造中最複雜、最關鍵的製程步驟。光刻機的曝光解析度與波長直接相關。半個多世紀以來，光刻機光源的波長一直在不斷縮短。晶片產業公認的新一代主流微影技術是波長13.5奈米的極紫外線（EUV）微影技術。 EUV光刻機的工作原理相當於利用波長僅為頭髮直徑萬分之一的極紫外光在晶圓上「雕刻」電路。最終，一塊指甲蓋大小的晶片將包含數百億個電晶體。這項設備和技術代表了人類科技發展的巔峰。目前，荷蘭ASML公司是全球唯一的EUV光刻機供應商，每台EUV光刻機的售價超過100億美元。

高功率極紫外線（EUV）光源是EUV微影機的核心零件。 ASML目前採用高能量脈衝雷射轟擊液態錫靶形成等離子體，進而產生波長13.5奈米、功率約250瓦的EUV光源。隨著晶片製程節點的不斷縮小，對EUV光源功率的需求預計將持續成長，達到千瓦級。

唐傳祥表示：「簡而言之，光刻機所需的極紫外光需要短波長和高功率。」高功率極紫外光源的突破對於極紫外光刻技術的進一步應用和發展至關重要。唐傳祥說：“基於SSMB的極紫外光源有望實現高平均功率，並具有擴展到更短波長的潛力，為高功率極紫外光源的突破提供新的解決方案。”

EUV光刻機的自主研發仍任重道遠。基於SSMB的EUV光源有望解決自主研發光刻機過程中遇到的核心「瓶頸」問題。這需要對SSMB EUV光源進行持續的技術研究，並需要上下游產業鏈的通力合作才能取得真正的成功。

現在正是解決關鍵問題的合適時機展示國際合作模式

清華大學SSMB團隊於2017年4月啟動了SSMB原理驗證實驗的理論分析與數值模擬。同年7月21日，唐傳祥和趙武在清華大學組織召開了第一次SSMB合作會議，並主導了國際SSMB研究團隊。他們與中國、德國、美國等國家的科學研究人員攜手合作，進行了包括SSMB原理驗證實驗在內的多項研究。經過四年的研究，SSMB研究團隊取得了一系列重要進展，研究成果處於世界領先地位。

「SSMB利用雷射聚焦電子。與同步輻射光源中常用的微波相比，其聚焦系統的波長縮短了5到6個數量級。因此，為了驗證SSMB的原理，需要加速器對電子縱向位置（相位）的逐圈變化具有極高的控制精度，而德國PTB的LS儲存環在這方面最符合SSMB的實驗需求。

自2017年以來，清華團隊成員已八次前往柏林，參與了從準備到運行的各個環節。經過長時間的努力，實驗於2019年8月31日成功完成。鄧秀傑表示：「超導超導磁鐵（SSMB）實驗涉及諸多物理效應，難度很高。團隊經歷了多次失敗，並在實驗過程中不斷加深對物理問題和加速器實際運行的理解，最終逐一解決了所有問題。即使無法進行現場實驗，我們也沒有停止工作，而是對先前收集的實驗數據進行理論分析，定期召開工作會議，並透過郵件或網路進行討論。

解決「頸部僵硬」問題清華大學勇敢地承擔起這份沉重的責任

「我國大學必須勇敢地承擔起重大責任，釋放高校基礎研究和科技創新的潛力。」2020年9月22日，習近平總書記在教育、文化、衛生和體育領域專家代表座談會上，對高校加強創新、突破關鍵核心技術寄予厚望。

清華大學繼承並發揚「托天立地，養育人才」的清華科研傳統，增強服務國家科技自立的責任感、使命感和緊迫感，深化科研體制機制改革，創新科研組織模式，加強「從0到1」的基礎研究，加快重點核心技術，特別是「卡頸」難題的攻略。

瞄準世界科技前沿，開出正確的處方。此次，清華大學工程物理系唐傳祥研究團隊及其國際合作團隊在「穩態微聚束」（SSMB）這一有望解決關鍵領域、亟需突破「瓶頸」的領域取得了顯著成果。他們持續加強前沿策略領域核心技術研發創新力度，並努力提升自主創新能力，服務國家創新驅動發展策略。

目前，清華大學正積極支持和推進國家級穩態微聚束極紫外光源（SSMB EUV光源）計畫的建置。清華SSMB研究團隊已向國家發展和改革委員會提交了「穩態微聚束極紫外光源研究裝置」計畫申請，申請成為「十四五」國家重大科技基礎設施計畫。

本文通訊作者為清華大學工程學院唐傳祥教授和亥姆霍茲生物技術研究院Jörg Feikes博士，第一作者為清華大學工程學院2015級博士研究生鄧秀傑。本研究由清華大學自主研究計畫資助。