“這就好像一艘航空母艦，把研究低維量子物質(zhì)需要的各種技術(shù)和設(shè)備集成在一個平臺上。有了它，我們就能攻克在這個領(lǐng)域研究中盲人摸象的問題，從更高、更全面的站位開展探索?！敝袊茖W(xué)院院士薛其坤用這樣一個比喻，來形容“低維量子物質(zhì)非平衡態(tài)物理性質(zhì)原位綜合實(shí)驗(yàn)研究平臺”的特點(diǎn)和作用。

低維量子物質(zhì)是目前物理學(xué)研究內(nèi)容最豐富的領(lǐng)域之一，也是凝聚態(tài)物理當(dāng)前最重要的課題之一。對這個領(lǐng)域的深入探索，將直接推動信息和能源等技術(shù)的發(fā)展和變革。

近年來，在國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項(xiàng)目的支持下，薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以解決重大科學(xué)問題為目標(biāo)，發(fā)展相應(yīng)的精密實(shí)驗(yàn)技術(shù)，打造了世界上第一個“低維量子物質(zhì)非平衡態(tài)物理性質(zhì)原位綜合實(shí)驗(yàn)研究平臺”，為相關(guān)領(lǐng)域的研究打開了新局面。

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時間分辨角分辨率光電子能譜（項(xiàng)目組供圖，下同）

打造一個前所未有的平臺

低維量子物質(zhì)體系包括半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣、石墨烯、銅基和鐵基超導(dǎo)體、拓?fù)浣^緣體、氧化物界面等。這些體系展現(xiàn)了自然界中最神奇的量子態(tài)。對這個領(lǐng)域的探索，很有可能推動信息、清潔能源、電力和精密測量等技術(shù)的重大革新。

然而，這類體系的研究中除了需要精密的實(shí)驗(yàn)手段外，更加棘手的是，它們在物理上可以簡化至厚度為1到幾個原子層/單位原胞的準(zhǔn)二維體系，幾乎無法在空氣環(huán)境下直接進(jìn)行研究。這對技術(shù)手段提出了極高的要求。

在此之前，國際上并沒有類似的能夠全面測量低維量子物質(zhì)物理性質(zhì)的系統(tǒng)。要想實(shí)現(xiàn)零的突破，就只能摸著石頭過河。

依托國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項(xiàng)目，研究團(tuán)隊(duì)將原子尺度上精確控制低維材料生長的技術(shù)與高靈敏實(shí)驗(yàn)探測技術(shù)結(jié)合，發(fā)展出了原位研究低維量子物質(zhì)動力學(xué)行為的精密尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

此前，人們對電子結(jié)構(gòu)的拍照測量大多是靜態(tài)的?，F(xiàn)在，科研人員可以在飛秒水平上拍攝動態(tài)過程。

“就像從照片到視頻的飛躍。”薛其坤對《中國科學(xué)報》說，“這讓我們可以捕捉一種材料在瞬間發(fā)生的變化，特別是從一種性質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種性質(zhì)時的變化。比如，我們知道一些材料在特定溫度下電阻會突然消失，這個變化發(fā)生時材料內(nèi)部發(fā)生了什么，我們現(xiàn)在可以捕捉并研究它?！?/p>

“一種材料從非超導(dǎo)狀態(tài)變成超導(dǎo)狀態(tài)、從非拓?fù)錉顟B(tài)變成拓?fù)錉顟B(tài)，變化過程是非常重要且非常有趣的?！表?xiàng)目組成員、清華大學(xué)物理系教授周樹云說，“這些過程的研究還處于早期階段。薛老師帶領(lǐng)我們研制的儀器設(shè)備，對相關(guān)前沿科學(xué)問題的探索非常重要?！?/p>

作為一個“航空母艦”式的平臺，“低維量子物質(zhì)非平衡態(tài)物理性質(zhì)原位綜合實(shí)驗(yàn)研究平臺”將超高真空極低溫強(qiáng)磁場原位輸運(yùn)測量技術(shù)、超高真空低溫原位局域電勢測量技術(shù)、低溫原位微波阻抗顯微鏡、原位微區(qū)和時間分辨角分辨光電子能譜技術(shù)等集合在一起，在每個維度上都保證了世界領(lǐng)先的測量精度，達(dá)成了“全而精”的目標(biāo)。

“過去，我們對低維量子物質(zhì)的探索就像盲人摸象，現(xiàn)在我們可以對低維量子物質(zhì)的不同物理性質(zhì)進(jìn)行多方面研究，最終給出一個相對完整的畫像。”薛其坤說。 

迎難而上 不打折扣

這個項(xiàng)目于2015年1月立項(xiàng)，執(zhí)行期5年。按照原計(jì)劃，應(yīng)該在2019年12月結(jié)項(xiàng)，但他們又延期了近2年。

其中一個關(guān)鍵難題，是把對材料物理性質(zhì)的控制和探索進(jìn)一步拓展到皮秒甚至飛秒的超快時間領(lǐng)域。

“我們在研發(fā)過程中，需要產(chǎn)生能量連續(xù)可調(diào)的深紫外探測光源，而且是一個在時間上非常窄的超短脈沖，脈沖的寬度要小于100飛秒?！敝軜湓茖Α吨袊茖W(xué)報》說，“為此我們需要采用一種國產(chǎn)KBBF晶體，但這種晶體產(chǎn)生的光源時域很寬，不能直接用到實(shí)驗(yàn)中，所以我們花了幾年時間攻關(guān)，把光源壓縮為一個特別短的脈沖?！?/p>

其實(shí)，早在項(xiàng)目進(jìn)行到第4年的時候，他們的工作成果就已經(jīng)很接近目標(biāo)了。但這個數(shù)值總在一百零幾上徘徊，并沒有真正進(jìn)入100飛秒以內(nèi)。

“當(dāng)時幾位老師感覺，這個數(shù)字基本已經(jīng)到頭了，再往前突破的余地并不是很大。而且，達(dá)到這個水平，測量效果還不錯。這個時候，一些畏難情緒和‘差不多’心態(tài)出現(xiàn)了?！毖ζ淅せ貞浀?。

但此時，基金委的監(jiān)理專家組卻堅(jiān)持必須達(dá)到100飛秒以內(nèi)。在這種高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求下，周樹云等人迎難而上，超額完成任務(wù)，最后達(dá)到了驚人的“84飛秒以內(nèi)”。

“可見基金委設(shè)立的監(jiān)理專家組，從科學(xué)和技術(shù)上給予指導(dǎo)和監(jiān)督是非常有必要的?！毖ζ淅ふf，“專家組中的一些成員，平時也是關(guān)系很好的同行和朋友，但在這個時候，他們鐵面無私、嚴(yán)格要求，敦促我們在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了飛躍和突破。”

薛其坤認(rèn)為，這一生動案例體現(xiàn)了國家自然科學(xué)基金委如何從機(jī)制設(shè)計(jì)上保證項(xiàng)目的質(zhì)量。

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薛其坤（左一）與學(xué)生討論儀器項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

既打造成果也培育人才 

國家重大科研儀器的研制不僅需要前沿的理論知識、精湛的技術(shù)水平，還需要不同團(tuán)隊(duì)之間密切的協(xié)作。

這個項(xiàng)目匯集了清華大學(xué)和中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的至少5個獨(dú)立課題組。不同領(lǐng)域的科學(xué)家相互協(xié)作，產(chǎn)生了非常好的交流碰撞。

“薛其坤老師是一位經(jīng)驗(yàn)豐富，也很有遠(yuǎn)見的科學(xué)家。他把我們大家集結(jié)在一起，讓我們每個人都做成了過去做不到的事情。”周樹云說，“不管是老師還是學(xué)生，在這個過程中都獲益匪淺?！?/p>

目前在清華大學(xué)物理系做博士后的鮑昌華，曾經(jīng)在項(xiàng)目核心問題的解決中作出重要貢獻(xiàn)。他還憑借這些成績，拿到了清華大學(xué)博士研究生特等獎學(xué)金，這是作為清華學(xué)子的最高榮譽(yù)之一。

“這個項(xiàng)目貫穿了我整個博士階段的學(xué)習(xí)和成長，對我來說具有非常重要的意義?！滨U昌華說。

在項(xiàng)目研制中，他曾遇到很多困難。比如在尋找轉(zhuǎn)瞬即逝的超快電子信號時，需要調(diào)節(jié)兩束飛秒激光不僅在空間上實(shí)現(xiàn)微米級精度的完美重合，還要同時保證它們在萬億分之一秒的超快時間尺度上重合，非常具有挑戰(zhàn)性。

鮑昌華嘗試了很久，一直無法找到這一信號。后來在老師的建議下，他從根本的物理原理出發(fā)，把每個細(xì)節(jié)都做到極致，最終成功找到了信號，拍出了第一段電子結(jié)構(gòu)在萬億分之一秒時間尺度上的動態(tài)“電影”。

“這個項(xiàng)目的很多關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都處于國際領(lǐng)先水平，對我們每個人來說，都是很大的挑戰(zhàn)，也是成長的機(jī)遇。”他說，“我在這個項(xiàng)目中，完成了從一名學(xué)生到一名基礎(chǔ)科學(xué)研究工作者的蛻變?！?/p>

“國家重大科研儀器研制項(xiàng)目支持的這種聯(lián)合攻關(guān)機(jī)制，更好地磨煉了科研人員的本領(lǐng)，鍛造了他們直面挑戰(zhàn)的精神。”薛其坤說，“在這個過程中，我們不僅打造出了世界上唯一的實(shí)驗(yàn)平臺，也培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的年輕科研工作者。”

《中國科學(xué)報》：當(dāng)前科研范式正在發(fā)生深刻變革，這一點(diǎn)在綜合實(shí)驗(yàn)研究平臺的研發(fā)上得到了怎樣的體現(xiàn)？

薛其坤：科研范式的變革取決于不同時期的科學(xué)發(fā)展階段。我們當(dāng)前的使命是努力實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。我們在這個過程中遇到的一個突出問題，就是科學(xué)儀器自主化程度不夠，特別是高端儀器比較依賴進(jìn)口。

國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項(xiàng)目，支持高端科研儀器研發(fā)，這本身就是科研范式變革中的應(yīng)有之義。而且，在這樣的項(xiàng)目組織下，不同團(tuán)隊(duì)、不同領(lǐng)域的人才能夠更有效地聯(lián)合在一起，協(xié)同攻堅(jiān)克難，這也是一種新的范式。 

《中國科學(xué)報》：未來對于綜合實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用與推廣，團(tuán)隊(duì)有什么計(jì)劃與期待？

薛其坤：第一，按照國家、基金委的要求，只要是省級單位、兄弟級部門需要的某些技術(shù)，我們會在國家允許的知識產(chǎn)權(quán)范圍內(nèi)，毫無保留地服務(wù)國家其他部門、單位和個人。

第二，我們現(xiàn)在有很多想法，除了自己的團(tuán)隊(duì)利用好這些設(shè)備器材外，我們樂于與其他個人、單位甚至國外同行，針對一些重大科學(xué)問題開展合作。