清华大学物理论文

【新智元导读】 2月25日，清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」的首个原理验证实验。与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

最现代的研究用光源是基于粒子加速器的。

这些都是大型设施，电子在其中被加速到几乎是光速，然后发射出具有特殊性质的光脉冲。

在基于存储环的同步辐射源中，电子束在环中旅行数十亿转，然后在偏转磁体中产生快速连续的非常明亮的光脉冲。

相比之下，自由电子激光器(FEL)中的电子束被线性加速，然后发出单次超亮的类似激光的闪光。

近年来，储能环源以及FEL源促进了许多领域的进步，从对生物和医学问题的深入了解到材料研究、技术开发和量子物理学。

现在，一个中德团队证明，在同步辐射源中可以产生一种脉冲模式，结合了两种系统的优点。

2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在Nature上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（ Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching ）的论文。

报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。

该研究与极紫外（EUV）光刻机光源密切相关，有望为EUV光刻机提供新技术路线。

SSMB光源首个原理验证实验，中德团队登上Nature

同步辐射源提供短而强烈的微束电子，产生的辐射脉冲具有类似于激光的特性（与FEL一样），但也可以按顺序紧密跟随对方（与同步辐射光源一样）。

大约十年前，斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授、著名加速器理论家赵午和他的博士生Daniel Ratner以提出了「稳态微束」（SSMB）。

赵午教授

该机制还应该使存储环不仅能以高重复率产生光脉冲，而且能像激光一样产生相干辐射。

来自清华大学的青年物理学家邓秀杰在他的博士论文中提出了这些观点，并对其进行了进一步的理论研究。

2017年，赵午教授联系了HZB的加速器物理学家，他们除了在HZB操作软X射线源BESSY II外，还在PTB操作计量光源（MLS）。

MLS是世界上第一个通过设计优化运行的光源，在所谓的 「低α模式 」下运行。

在这种模式下，电子束可以大大缩短。10多年来，那里的研究人员一直在不断开发这种特殊的运行模式。

HZB的加速器专家Markus Ries解释说：「现在，这项开发工作的成果使我们能够满足具有挑战性的物理要求，在MLS实证确认SSMB原理」。

「SSMB团队中的理论小组在准备阶段就定义了实现机器最佳性能的物理边界条件。这使我们能够用MLS生成新的机器状态，并与邓秀杰一起对它们进行充分的调整，直到能够检测到我们正在寻找的脉冲模式」，HZB的加速器物理学家Jörg Feikes说。

HZB和PTB专家使用了一种光学激光器，其光波与MLS中的电子束在空间和时间上精确同步耦合。

这就调制了电子束中电子的能量。

「这使得几毫米长的电子束在存储环中正好转了一圈后分裂成微束（只有1微米长），然后发射光脉冲，像激光一样相互放大」，Jörg Feikes解释道。

「对相干态的实验性探测绝非易事，但我们PTB的同事开发了一种新的光学检测装置，成功地进行了探测。」

SSMB概念提出后，赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。

2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。

揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步，是在真实机器上演示其机制。在新的论文中，研究人员报告了SSMB机制的实验演示。

SSMB原理验证实验示意图

实验表明，存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米级的微束和相干辐射，由1,064纳米波长激光器诱导的能量调制后一个完整的旋转。

结果验证了电子的光相可以在亚激光波长的精度上逐次相关。

SSMB原理验证实验结果

在这种相位相关性的基础上，研究人员通过应用相位锁定的激光器与电子轮流相互作用来实现SSMB。

该图示直观地展示了如何通过激光调制电子束来产生发射激光的微束，是实现基于SSMB的高重复性、高功率光子源的一个里程碑。

有望解决EUV卡脖子难题

没有顶尖的光刻机，是我国半导体行业发展的最大瓶颈。

光刻机的曝光分辨率与波长直接相关，半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。

EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上「雕刻」电路，最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类 科技 发展的顶级水平。

而昂贵的EUV光刻机也正是实现7nm的关键设备，目前，荷兰ASML是全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商，而由于禁令，我国中芯国际订购的一台EUV仍未到货。

如果中国大陆无法引入ASML的EUV光刻机，则意味着大陆将止步于7nm工艺。

目前ASML公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长纳米的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。

SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。它们产生的类似激光的辐射也超出了 "光 "的可见光谱，例如在EUV范围内，最后阶段，SSMB源可以提供一种新的辐射特性。脉冲是强烈的、集中的和窄带的。可以说，它们结合了同步辐射光的优势和FEL脉冲的优势。

可以说，基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

关于作者

本文的通讯作者唐传祥教授是清华大学的博士生导师。

1992年9月－1996年3月，考入 清华大学工程物理系硕博连读。1996年3月获得工学博士学位， 博士学位论文为“用于北京自由电子激光装置的多腔热阴极微波电子枪的研究”。

1996年4月获得博士学位后，留校工作。

1996年7月 1998年6月期间，作为访问学者到德国DESY工作2年。在DESY工作期间，主要进行超导加速结构的优化及测量研究，并与J. Sekutowicz, 等合作提出了Superstructure的超导加速结构。

1998年6月回国后，继续在清华大学从事加速器物理、高亮度注入器、汤姆逊散射X射线源、自由电子激光、新加速原理与新型加速结构、电子直线加速器关键物理及技术、加速器应用等方面的研究。

参考资料：

什么要嫁给物理学家？(转)2009-09-25 17:43:02 来自: 傅抱屎(无聊的人类.................)为什么要嫁给物理学家？ 作者： 邓元刚 首先，特别感谢中国乃至世界各大物理系杰出的光棍们，没有他们的迫切需要，就没有这 篇文章的面世。 其次，鸣谢以下单位和个人的鼎力支持与无私赞助： 北京大学物理系 清华大学数理基础科学班 南京大学物理系 中国科技大学物理系 Department of Physic s, Stanford University Department of Physics, University of Washington Prof. Stephen Shenker ,Stanford University Prof. Phil Bucksbaum, Stanford Universit y Prof. Warren Buck, University of Washington 我们与上帝对弈，尝试解答宇宙的奥秘；我们深入细小的空间，研究上帝留下的最 细微的线索和音符；然后我们用埋在每个原子中的神秘力量阐述世界和星空，实现一个又 一个浪漫的梦想。正因为我们的力量，人类借来了太阳的火焰和光；正因为我们的力量， 人类得以像飞鸟一样展翅翱翔；正因为我们的力量，人类可以与马儿赛跑；正因为我们的 力量，不再需要鸿雁，相爱的心就可以在电话里拥抱；正因为我们的力量，由曾经遥不可 及的漫天星斗构成的神奇画卷缓缓在人类面前展开。 和一个真正优秀的物理学家在一起的时光决不会像女孩们想象的无趣和无聊。恰恰 相反，他会带领你走上一段曼妙的旅程。充满活力、创造力和热情的物理学家不会放弃任 何一个给你浪漫惊喜的机会，因为物理学家的头脑比任何职场精英、工程师或者其他科学 家都更接近艺术，却比艺术家冷静、理智和严密的多。他们能给你依靠的肩膀，却同样可 以给你绝不平淡的生活。 一个神奇的现象 目前，在中国女生眼中，“物理学家”或者“ 物理系学生”是很渗人的。具体体现在，如果某个物理系男生对某个女生说明他是学物理 的，几乎立刻会获得“粪便效应”。具体表现为，该女生会对该男生立刻敬而远之。中国 女孩们似乎认为，物理系的学生似乎和自己不是一个星球的，如果真的是这样，那么很显 然，这些女孩来自火星。 然而，把罪过都放在女孩身上也是不公平的。女孩对物理人士 的畏惧，来自她们对物理人士的极端不了解。对一个不懂行的人来说，物理界最知名的两 个人物一个叫牛顿，另一个叫爱因斯坦。前者太过久远，难窥庐山；后者对物理学家形象 的贡献太过负面：乱七八糟的头发和大脑门和永远破旧的衣着。最重要的在于，她们中的 许多人无法理解物理，认为物理深奥难懂晦涩无用，所以宁愿对工程系(引用Abigbangth eory中的一句话：工程学连给物理学提鞋都不配)的家伙们投怀送抱，至少他们做出来的 设计图是看得见的，摸的着的，用的到的；或者对工商管理的人送橄榄枝，尽管他们很多 人是没有个性不知道未来在何方才选择的这个专业。 我为什么要对物理人士感兴趣？ 我 们在改变世界，我们一直改变着，还将继续改变这个世界。现在，如果你选择了一个物理 学家当老公，你可以自豪的说，这个过程有你亲爱的的一份力量！甚至，他能够改变世界 的进程，也有你贤内助的一份功劳哦！ 物理学家拥有性感的大脑。对于众多（80%）智商 介于80~110之间的女生来说，一个物理系的优秀学生足以被称作“天才”——他们的智商 一定在130以上（以后给女伴介绍你的他的时候，就可以毫不避讳的说：“我的老公是天 才哦”），他们能理解的东西或许是你一辈子也搞不明白的。但是，物理学家最优秀的地 方在于，他们的大脑绝不死板，死板者搞不了物理。如果把数学家的大脑比作最难嚼的煮 老的牛肉的话，物理学家的大脑就等同于肘子肉或者牛筋。物理学家被称为科学家中的小 飞侠，是所有自然科学家中最具有创造力，最具童心和最年轻的。想想看化学家，总是徘 徊在各种有毒气体和大小爆炸中，浑身总是弥漫着刺激性气体；生物学家，每天面对各种 病毒各种细菌，不知道哪天就被感染了；数学家，每天研究一些现实中一辈子也碰不到的 东西，是大部分书呆子的聚集地。 可是物理系的学生绝不是书呆子。他们永远不会沉迷 于书本，事实上，绝大多数物理学家在对物理学识如饥似渴的同时，对世界的其他拥有极 其广泛的兴趣。一个学物理的人一定是好奇的，而好奇使人幽默，不凡及富有情趣。举一 个遥远的例子，物理学大师理查德费曼，在得诺贝尔奖的同时画得一手好素描，会打巴西 鼓，也会经常去酒吧转悠找灵感。他喜欢撬锁，恶作剧，上研究生的第一天被系主任的夫 人教导：“别闹了，费曼先生！”；身边的例子更加不胜枚举，比如一个斯坦福大学物理 系大三学生，GPA常年，各种奖项，同时是地下乐队贝司手，飞碟队队长，游泳队队员 ，还是话剧社主力社员。纵览中国出名的物理学家，大都也同时是国学专家，或能写得一 手好字，或是善吟诗作画。身边物理圈子里的朋友也绝少仅仅一门专的做物理，他们有的 能就世界政治经济形势侃侃而谈，有的能就东西方艺术哲学高谈阔论，而且大都有一手好 文笔。他们对社科人文的了解远比社科人文人士对科学的了解深，而且从不像艺术人文人 士敌视科学那样敌视艺术人文。他们怀着浓厚的兴趣去发掘世界所有的未知，当然，物理 为主。 正因如此，和一个真正优秀的物理学家在一起的时光决不会像女孩们想象的无趣 和无聊。恰恰相反，他会带领你走上一段曼妙的旅程。充满活力、创造力和热情的物理学 家不会放弃任何一个给你浪漫惊喜的机会，因为物理学家的头脑比任何职场精英、工程师 或者其他科学家都更接近艺术，却比艺术家冷静、理智和严密的多。他们能给你依靠的肩 膀，却同样可以给你绝不平淡的生活。 物理学家会不会很穷？ 我理解物质生活和精神生活同样重要。但是物理学家也分优 良中差，不可能完全没有书呆子，也不可能没有资质平平的人。然而我可以遗憾的告诉诸 位，一个优秀的物理学家是想穷也穷不了的。在美国，一个名牌大学的物理教授平均年薪 在18W美金左右，较出色的可以有20W出头。而这仅仅是9个月的工资，在暑假的3个学期中 ，大学教授们可以去其他学校当客座教授，还会有5W左右的额外进帐。如果再出名一点， 完全可以来个巡回演讲，演讲的出场费那当然是…综合下来，固定收入可以到30W美金/年 。当然，一个富有创造力的头脑是不会局限于这点固定收入的，国家科研基金，专利费， 这都是大把大把的外快，俗套一点的说，越聪明，赚的钱越多。而且，美国大学每六年有 一年带薪年假，好好计划你们的环球浪漫之旅吧~！ 30W美金在美国大概是个什么概念呢 ？中美消费水平比例大约在3：1左右，即在美国一块钱大概可以买中国3块钱的东西（日 常用品，不包括电器等）。30W美金差不多相当于中国百万年薪的固定收入吧，虽然比不 上一些操盘手CEO，但是基本的奢侈需要是完全可以满足的了。不同的是，物理学家的钱 不是以牺牲健康或者牺牲和你在一起的时间作为代价的。没有无穷无尽的应酬，没有加班 加点。他的工作可以在任何地方完成，当然，只要你愿意，家里的书房也是个很好的选择 。他没有什么太多的机会接触其他美女，他的应酬基本是各种学术会议研讨会，而不是酒 会或者舞会，那里是和美女天生绝缘的地点，所以你当然不用担心他会外遇。 好吧，我 相信你说的，物理系的学生很好，可是如果各个专业的男生都摆在我面前，我应该挑物理 系的吗？ 必然。 事实上这篇文章的目的只是希望女孩们消除对物理系学生的误解和偏见，尽量把各 个系的男生平等考虑，不过既然已经谈了这么多物理人士的优点，我就得寸进尺一把。是 的，物理系男生当然应该优先考虑！除了以上提过的如此山多的物理系男生之绝赞优点， 还有以下几条补充： 首先，物理系的男生有个性，有勇气。他们敢于选择自己的兴趣所 在，而非随大溜去选那些烂大街的经济系或工商管理只是为了有个工作。 其次，物理系 学生的职业拥有极强的可塑性，就算一个物理系男生毕业了不愿意当物理学家突然想去华 尔街了（华尔街最大的团体是500人的USTC团体，其中USTC物理系学生的占多少？最牛的 乃是物理出身）依然有大把大把的投行抢着要，当然是因为上述的诸多原因。投行大鳄们 早就看清楚是学MBA或经济的NB还是学物理的NB了。可以不夸张的说，学物理的人的智商 足够搞定天下任何职业（或许除了数学家，但是数学家…也除去一些靠艺术天赋的，比如 画家音乐家作家），econ和bus那点破东西物理系的学生半年足够搞定了，至于历史系哲 学系，恕我直言…算了还是不说了。而扎实的理科训练带给物理学家的是敏锐的数字直觉 和果敢的判断，这点是大多数连学个统计学都感到费尽的经济商业系学生望尘莫及的。 再次，作为著名物理学家的夫人，你所分享的不仅是他完美的生活，更有他的荣誉！ 天 才一般的灵感，艺术家一般的浪漫，智者的稳重，永远青春的心灵，自由支配的时间，稳 定的工作家庭和无上的荣耀。是的，你没有理由再去注意那些普普通通的人了。 智慧在物理系隐藏，你的幸福在物理系隐藏，他们等待着聪明的你来发掘！不要再 去忽略甚至远离这些富饶的金矿了，请不要等待物理系男生都被抢购一空了再动手！ 谨 以此文献给所有为了人类进步而无私的奉献出自己智慧的伟大物理学家们，谨以此文献给 所有立志成为物理学家的人们。

最好读在职！