挑战科学前沿的“时空极限”

龚旗煌院士团队：在时间和空间上追求极限不论是体育赛事还是科学探索，挑战极限一直是人们的梦想。在国家自然科学基金的支持下，中国科学院院士、北京大学教授龚旗煌团队长期致力于挑战科学前沿的“时空极限”研究，助力人们不断拓宽认知的边界。“我们就是要在时间和空间上追求极限。”龚旗煌告诉《中国科学报》。

在国家重大科研仪器研制项目“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”的支持下，该团队成功研制出高时空分辨光电子成像系统。它可让人们在纳米（10-9米）量级（空间）和飞秒（10-15秒）量级（时间）上看清纳米尺度结构及其时间演化，同时具备能量和动量分辨能力。该系统将推动等离激元光子学、量子材料、半导体材料等领域及其相关交叉学科在基础和应用研究方面的革命性发展。

当前，光信息处理、光显示、光探测传感等领域的技术迭代更新，光电功能器件向超高密度、超快速度、超低功耗方向不断发展，研制基于新型材料的复合微纳器件成为一大趋势。这就要求人们弄清微纳米尺度下的光电超快动力学过程。然而，长期以来，我国一直缺乏在相关领域的研究积累。

“我们的目标是在空间和时间维度上，把分辨率做到极限（纳米量级和飞秒量级），并将二者结合起来，在极小的空间尺度下看清极快的变化过程，从而拓宽人们认知的边界。”龚旗煌说。2016年，在国家重大科研仪器研制项目的资助下，龚旗煌团队开始研制“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”。项目伊始，团队面对的是一间400平方米空旷实验室的改造任务。

“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”对实验条件要求极高，细小振动、微弱电磁干扰都会影响实验精度。为达到要求，团队精心测量实验室振动、电磁场分布及变化，反复讨论抗振、抗电磁干扰方案。最终，他们设计出一套主动电磁屏蔽及减少振动的方案，经精确测算后才交付施工。该系统的核心模块之一是超快极紫外光电子显微镜。团队首先面临产生高通量极紫外光源这个“坎儿”。

研究人员基于气体高次谐波产生技术，从理论模拟、实验验证到模块设计，紧密合作，反复优化参数，将谐波转化效率提高了两个量级以上，最终产生了满足要求的超快极紫外光源。极紫外光源和光电子显微镜耦合难度极大，是另一个“坎儿”，涉及极紫外光在真空中传播、偏转、合束、聚焦等一系列技术难题。

团队成员充分论证，提出了特制微孔极紫外闪烁体光阑方案，解决了真空差分、极紫外光监测、合束以及时间和空间重合等技术挑战，建立了紧凑、稳定的极紫外束线，最终成功研制出国内首台基于气体高次谐波的超快极紫外光电子显微镜。“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”能看清材料的表面形貌，实时观测电子的动力学过程，因此是半导体材料、表面物理等领域一个新的研究手段。

该系统能揭示激发态载流子与激子、声子、缺陷等相互作用的过程，可实现飞秒等离激元场的时空演化成像、拓扑缺陷的时空表征、微纳米等离激元器件的功能表征及操控、金属-半导体和二维材料中热载流子的动力学特性等研究。团队研制出国内首台基于气体高次谐波的超快极紫外光发射电子显微镜，并对空间、能量和时间分辨进行了表征，性能指标达到了国际领先水平。

“我们已经进入该领域的第一梯队。”龚旗煌说，“经过这几年磨炼，团队有了很好的技术积累，利用该系统取得了一流成果。项目组正不断对其性能进行提升，完善仪器管理，并对国内外用户开放，提高大型仪器使用效率，服务科技创新和社会需求。”