光電之眼探秘“瞬息世界”

別致　熊燕

要炒出一盤美味佳肴，調料放到恰到好處十分關鍵。

與炒菜相似，在研發新材料的過程中，加什么樣的核心元素、加多少進去，直接影響到產出的材料性能。

要精準掌握產品的參數，并非易事，微觀世界的差之毫厘，可能會讓宏觀世界謬以千里。

“以前要研發核心產品，生產工藝參數的調控與優化可能需要10年甚至20年時間。如果能把宏觀性能隨工藝參數變化背后的微觀機制弄清楚，再去調控時，就知道該朝哪個方向改進，這樣一來研發新產品就會快很多。”重慶大學電子顯微鏡中心透射電鏡技術負責人陳厚文說。

而今，隨著重慶首個大科學裝置超瞬態實驗裝置項目全速推進，困局打破在望：它將通過同步輻射光源和超瞬態電子顯微兩種探針，帶領人們走進“瞬息世界”，探尋物質內部構造。

大科學裝置是推動重大科技創新的大國利器，在重慶建設具有全國影響力的科技創新中心的路途上，超瞬態實驗裝置將創造無限可能。

大器：多維尺度相互耦合

說到“超瞬態”，高級酷炫和高深難解兩個詞難免會接踵出現在人們的腦海中。

簡單來說，占地500畝的超瞬態實驗裝置，就像一個超大號的顯微鏡，用來從空間尺度和時間尺度探測微觀世界的細微結構。

實現這一技術的，就是超瞬態同步輻射光源和超瞬態電子顯微鏡集群兩大核心部分。

“超瞬態實驗裝置是提供時間（光子）與空間（電子）多維研究與調控的重大科技基礎設施。”重慶大學電子顯微鏡中心副主任黃天林介紹，多維度多尺度表征是材料研究的基礎。

超瞬態同步輻射光源的基本原理，就是電子束在接近光速運動時，發生偏轉而發出同步輻射光，作為光子探針給需要光的研發用戶提供實驗支撐。

但要產生高通量的光，必須保證電子束在環形通道內運動時“通行無阻”。為此，科研人員選用了導電率高的銅作為管道材料，并保證真空管道內壁極其光滑。

“我們自主研發的強流真空技術大大提高了實驗的安全性與成功率，現在這一裝置可以運行高達1安培的電流強度，這在全國范圍內都是領先的。”談及此，超瞬態實驗室副主任姜伯承自豪不已。

而超瞬態電子顯微鏡集群則是以重慶大學自主研發的世界首套超瞬態自旋極化低能電子顯微鏡、世界領先的四維透射電鏡為核心的綜合化、集成化電子顯微平臺，可實現對物質在力、熱、磁、電和輻照等多種激發下的多維多尺度多信息耦合表征。

得益于此，超瞬態實驗裝置不僅能了解物質靜態的結構，也能夠探尋物質動態的變化過程，其精確程度在時間尺度上可從飛秒到秒，在空間尺度上可從埃米到米。

1飛秒就是1秒的一千萬億分之一，宇宙中“跑”得最快的光在1飛秒內也只能運動300納米。1埃米是1納米的十分之一，大約就是一根頭發絲的60萬分之一。

物質的“瞬息”之變在超瞬態下一覽無遺，實現了多維度多尺度研究非平衡態物質的結構、動態演化與性能。

大舉：從無到有定制設計

7月6日，走進西部（重慶）科學城，滿目綠意、生機盎然。在位于其核心區域的重大科技基礎設施聚集區內，又一根樁基順利澆筑，深深扎進地下。

這是超瞬態實驗裝置項目第一階段的建設現場。

“其實，一般四層的科研樓建筑，如果地質條件好，是不需要樁基的，大部分只需要做一個淺基礎。”重慶大學基建規劃處工作人員傅晏說。

然而同樣是四層樓，超瞬態實驗裝置項目不僅沒有做淺基礎，反而在第一階段就要使用100余根樁基。

這樣費時費力費錢有必要嗎？

答案是肯定的。

第一階段，這里將完成500MeV低能強流同步輻射光源和3個超瞬態電子顯微集群的建設。這些實驗裝置比一般項目對環境的要求更為苛刻。

早在2022年8月取得規劃許可證后，基建規劃處帶著圖紙到實驗室與科研團隊交流討論便成為常態。

“建造一般的實驗室，我們在了解其需求后，進行標準化基建即可。但這個實驗裝置在重慶獨一無二，沒有經驗可循，所以我們采取全定制的方式，和專家一起反復打磨商定。”傅晏介紹，例如增加樁基礎數量，就是為了解決道路旁汽車通過帶來震動的問題。

“兩個裝置都對震動非常敏感，需要能到亞微米或者納米級別的穩定度。”姜伯承說，“因為它們都是通過磁鐵約束，一旦發生震動，磁鐵一抖，電子就會跟著抖，實驗就無法正常開展。”

預計到今年底，這100余根樁基穩穩托起的承載著科技創新希望的大樓就能完成封頂。

大計：工業經濟蓄勢騰飛

在3D打印中，粉末熔化、液滴飛濺、結晶凝固等動態過程都能通過高通量同步輻射光和高時間分辨電子束進行研究，由此揭示3D打印材料的失效機理。

在肺癌早期診斷環節，超瞬態裝置超高的空間分辨率和獨特的對比度成像機制，能在結節僅為毫米大小時就能準確判定是否癌變。

超瞬態同步輻射光源能夠發出光子數目領先世界的紫外波段的光，為我國紫外光應用技術提供重要支撐。

……

這一個個發于毫末的場景，就是未來超瞬態實驗裝置廣闊的應用前景。

“微觀結構決定了宏觀性能。宏觀性能的改變優化，需要從微觀的組織、化學元素分布，原子排列方式與方向等機制中去調控。”黃天林表示。

超瞬態實驗裝置通過對光子和電子的有機結合，能夠提升對物質形成超快過程的認知過程，也可以對超快物理、材料和生命科學提供全新的分析手段，為物質科學開展深度研究提供新的重大發現機遇，是承擔原始創新重任的“科學重器”。

“像我們的光源裝置，就是要產生高通量的光，照在大的樣品上，看它的材料結構以及材料成分等，涉及領域包括生物、化學、凝聚態物理、微納電子等。”姜伯承說，“我們的大裝置一開始的定位就是支撐工業發展，這是我們的出發點和落腳點。”

擁有先進的大科學裝置，甚至大科學裝置群，是重慶成為具有全國影響力的科技創新中心的重要支撐和基本條件，有利于科技創新能力提升、攻克重要領域關鍵技術、以點帶面聯動其他領域創新。

重慶本就有良好的工業基礎，微電子產業、新材料產業欣欣向榮，超瞬態實驗裝置的落地將為重慶的工業經濟發展安上飛速運轉的新引擎。