【消費電子實驗室-2021/2/26】2月25日，清華大學工程物理系唐傳祥研究組與合作團隊在《自然》上發表研究論文《穩態微聚束原理的實驗演示》，報告了一種新型粒子加速器光源“穩態微聚束”的首個原理驗證實驗。基于該原理，能獲得高功率、高重頻、窄帶寬的相干輻射，波長可覆蓋從太赫茲到極紫外波段，有望為光子科學研究提供廣闊的新機遇。與之相關的極紫外光源有望解決自主研發光刻機中最核心的“卡脖子”難題。

穩態微聚束，英文為Steady-state microbunching，可縮寫為SSMB。實驗中，研究團隊利用波長1064納米的激光操控位于柏林的儲存環內的電子束，使電子束繞環一整圈后形成精細的微結構，也即微聚束。微聚束會在激光波長及其高次諧波上輻射出高強度的窄帶寬相干光，實驗通過探測該輻射驗證微聚束的形成。微聚束的形成，證明了電子的光學相位能以短于激光波長的精度逐圈關聯起來，使得電子可被穩態地束縛在激光形成的光學勢井中，驗證了SSMB的工作機理。

SSMB概念由斯坦福大學教授、清華大學杰出訪問教授趙午與其博士生于2010年提出。2017年，唐傳祥與趙午發起該項實驗，唐傳祥研究組主導完成了實驗的理論分析和物理設計，并開發測試實驗的激光系統，與合作單位進行實驗，并完成了實驗數據分析與文章撰寫。

在芯片制造的產業鏈中，光刻機是必不可少的精密設備，是集成電路芯片制造中最復雜和關鍵的工藝步驟。光刻機的曝光分辨率與波長直接相關，半個多世紀以來，光刻機光源的波長不斷縮小，芯片工業界公認的新一代主流光刻技術是采用波長為13.5納米光源的EUV（極紫外光源）光刻。EUV光刻機工作相當于用波長只有頭發直徑一萬分之一的極紫外光，在晶圓上“雕刻”電路，最后將讓指甲蓋大小的芯片包含上百億個晶體管，這種設備工藝展現了人類科技發展的頂級水平。

大功率的EUV光源是EUV光刻機的核心基礎。而隨著芯片工藝節點的不斷縮小，預計對EUV光源功率的要求將不斷提升，達到千瓦量級。

“簡而言之，光刻機需要的EUV光，要求是波長短，功率大�！碧苽飨檎f。大功率EUV光源的突破對于EUV光刻進一步的應用和發展至關重要。唐傳祥說：“基于SSMB的EUV光源有望實現大的平均功率，并具備向更短波長擴展的潛力，為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路。”

SSMB原理驗證實驗結果（圖片來源：清華大學SSMB團隊）

EUV光刻機的自主研發還有很長的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解決自主研發光刻機中最核心的“卡脖子”難題。這需要SSMB EUV光源的持續科技攻關，也需要上下游產業鏈的配合，才能獲得真正成功。

清華SSMB團隊從2017年4月開始SSMB原理驗證實驗的理論分析和數值模擬。“SSMB采用激光來對電子進行聚束，相比同步輻射光源常用的微波，聚束系統的波長縮短了5到6個數量級。因此，要驗證SSMB的原理，需要加速器對電子縱向位置逐圈變化有非常高的控制精度，而德國聯邦物理技術研究院的儲存環在這一方面最接近SSMB的實驗需求。經過老師們的前期聯系與溝通，德國兩家機構積極加入研究團隊，與我們開展合作研究�！比�程參與赴德實驗的清華大學工物系2015級博士生鄧秀杰介紹。

從2017年始，清華團隊成員先后8次前往柏林，參與從實驗準備到操作的各個環節，經過長時間的努力，實驗于2019年8月31日取得成功。鄧秀杰說,SSMB涉及的物理效應多，實驗難度大，團隊經歷了多次失敗的嘗試，在實驗過程中不斷加深對物理問題和實際加速器運行的認識，直到最后將問題一一解決,“無法進行現場實驗的時候，我們也沒有停止工作，會就之前采集的實驗數據進行理論分析，定期召開工作會議，以及進行郵件或在線討論等�！�

《自然》評閱人對該研究高度評價，認為“展示了一種新的方法論”，“必將引起粒子加速器和同步輻射領域的興趣”。

目前，清華大學正積極支持和推動SSMB EUV光源在國家層面的立項工作。清華SSMB研究組已向國家發改委提交“穩態微聚束極紫外光源研究裝置”的項目建議書，申報“十四五”國家重大科技基礎設施。