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跨越世界光电子能谱仪的“巅峰”——访周兴江研究员

产品评测中国仪表网2007年05月17日 10:58人气:818

“也许在不久的将来,借助真空紫外激光角分辨光电子能谱仪,高温超导电性产生的机理将被揭示,高温超导体所表现出的许多奇异的物理性质将得到解释。”

2007年的元旦刚过不久,作为“真空紫外激光角分辨光电子能谱仪”研究项目的负责人,中科院物理研究所周兴江研究员在接受本网工作人员专访时做出如上的表述。

国际首创的“火眼金睛”

 2006年12月28日,由中科院物理研究所和理化技术研究所联合研制的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪通过了中科院主持的鉴定。由龚昌德院士担任组长,包括于渌院士、甘子钊院士、夏建白院士等参加的鉴定组给予了该项目高度的评价,“真空紫外激光角分辨光电子能谱仪的主要性能和技术指标在国际上处于领先地位:它具有超高的分辨率、超高的光束流量,具备了研究体效应的可能性。”

为什么专家鉴定组特别要强调这一系统在‘体效应’研究方面的优势呢?周兴江研究员深入浅出地为笔者进行了解答:

 “就某些材料而言,其表面电子结构和体电子结构可能并不相同。而对先进材料,人们更关心的主要是它们的体性质。与大家比较熟悉的采用X光电子能谱仪对材料表面元素进行成分或形态分析相比,真空紫外激光的使用,使光电子能谱技术真正测量材料的体性质第一次成为可能,这也是使用真空紫外激光的最显著特点。如果说前者是一种材料表面化学表征工具的话,那么后者则是对材料的物理性质进行基础研究的一种科学手段。”

  在真空紫外激光光源被应用之前,传统的同步辐射光源或气体放电光源存在一个长期困扰光电子能谱的问题——也就是所测量的光电子只来自样品表面5~20埃的深度,对于众多先进的材料而言,仅表面几个原子层的电子能否反应材料的体性质?这一直是个未知数。而使用紫外激光,在光电子能量为6.994eV时,预计对应的光电子逃逸深度约为200埃,所以和同步辐射光源或气体放电光源相比,这时所得到的测量结果更代表材料的体性质。

  “我是在美国工作期间偶尔读到一篇文献,其中介绍了可采用激光作为光电子能谱仪光源,并且发现文章的作者是中国人。由于我在美国一直是从事角分辨光电子能谱的研究,因此,当读到这篇文献时,激动的心情实在是难以用语言表达。我立刻向我的导师,中科院物理所的赵忠贤院士发去了电子邮件,希望能通过他与文章作者取得联系。”周研究员回忆道。

  此外,由于真空紫外激光的使用,使得这一系统还具有一些独特的优势,从而把现有的技术提高到一个新的台阶。如采用的真空紫外激光能量分辨率为0.26meV,整体系统的能量分辨率达到0.68meV,是目前国际上角分辨光电子能谱达到的最佳能量分辨率,比通常的同步辐射光源提高了一个量级。动量分辨率也有显著的提高。真空紫外激光产生的光束流量则比通常的同步辐射光源提高两到三个量级。

 周研究员告诉笔者,初步的实验结果表明,该系统工作正常,测量的数据精确,对高温超导体Bi2212的测量,获得了线宽为12meV的能量分布曲线,这是目前所有文献中测量的最窄线宽。对LSCO等高温超导体的初步测量,表明该真空紫外激光角分辨光电子能谱仪适合于开展复杂体系的精细电子结构的研究。

人工晶体点亮新一代激光光源

 “这一项目是由三个课题组合作完成的:中国科学院理化所陈创天院士领导的研究组发明了一种新型紫外非线性光学晶体——KBBF晶体,这是目前可匹配倍频波长最短的晶体;但由于KBBF晶体具有层状习性,无法按照相位匹配方向切割,不能直接实现六倍频相位匹配。而六倍频深紫外激光对于开拓深紫外光谱学、能谱学等领域的研究具有重要意义。因此,陈创天院士和中国科学院物理所许祖彦院士共同提出了一种棱镜耦合方法,用两个棱镜通过光胶耦合在KBBF晶体两面,将光耦合进晶体实现相位匹配,解决了六倍频匹配问题。这一技术已获得中国、美国、日本三国的发明专利;我本人领导的课题组则负责能谱仪部分的搭建,以及整个系统的整合。”

 “如果把我们的工作比喻成一部交响乐的话,那么陈、许两位院士所完成的部分应当说是这部交响乐中最华采的乐章。可以这样认为,没有KBBF晶体和棱镜耦合技术就不可能有这样一台超高分辨率光电子能谱仪。”周研究员诚恳地表示。

 通过查阅相关资料,笔者了解到,在我国863等相关科技计划支持下,我国自主研制并在国际上首次成功生长出了具有实用价值的器件级KBBF单晶体,成功研制出了由KBBF晶体和CaF2晶体组成的棱镜耦合器件。

 具有完全自主知识产权的氟硼酸铍钾(KBBF)连同硼铍酸锶(SBBO)等新型深紫外非线性光学晶体的成功研制,使得深紫外波段的直接倍频输出和宽调谐成为可能。

     “这就表明我们可以获得真空紫外光谱区准连续波(QCW)的激光,而这正是使光电子能谱仪的能量分辨率优于1meV的核心技术。”周研究员向笔者道出了其中的关键。

    “借助这台激光光电子能谱仪的超高分辨率,我们能够更仔细地了解固体的特性。例如,奇异的超导体在超导态时,超导电子态密度分布的测定需要光电子能谱仪的能量分辨率优于1meV。”周研究员说,“然而,以前的光电子能谱仪其分辨率均达不到1meV,因此,观察不到超导体在超导态时的超导电子态密度的变化。而通过这台仪器,我们就可以直接观察到超导体在超导态时的超导电子态密度的变化。”

   基础研究与仪器研发

  作为一名长期从事高温超导材料和其它先进材料中奇异量子现象的微观机理研究的物理学家,笔者很感兴趣周兴江研究员是如何与仪器研发打上交道的?

 “我想应该是有两方面的原因:一方面,作为一种尖端基础研究的科学手段,到目前为止紫外光电子能谱仪(UPS)是没有现成的商品化仪器的,这一点和X光电子能谱仪(XPS)有很大不同。一般是由研究者根据自己实际工作的需要,提出设计思路,确定性能指标,然后自己动手采购零部件进行仪器装置的搭建;另一方面,可能和我曾经长期在美国工作,所受到的熏陶有关。我在美国斯坦福大学同步辐射实验室以及美国Berkeley国家实验室工作了七年,在那里,我感觉到一个与国内最大的不同是,他们经常是一年到头在搭建仪器、改造仪器。基础研究不同于一般的技术开发和技术应用,它的特点决定了在这个领域里只有世界第一,没有世界第二。而要想做到第一,一个很重要的条件就是他所使用的科研手段必须要有独到的创新之处,而商品化仪器或装置却很难满足这一点

对于基础研究与仪器研发之间的辨证关系,周研究员侃侃而谈。

 “作为全国基础研究方面最高等级的科研院所,中国科学院在提高本院科学仪器的研制创新水平方面同样下了很大工夫,中科院综合计划局专门为此设立了‘仪器设备研制和改造专项’。以我们这个项目为例,从2004年10月正式立项到2006年底通过专家组鉴定,共得到这一专项以及中科院‘百人计划’给予的四百余万元专项经费的支持。”

 现在,国外许多一流的科研机构对于光电子能谱领域的这一重大科研成果,均表现出了浓厚的兴趣。特别是这一成果中的多项关键技术的专利均掌握在中国人手中,因此国外如果想利用紫外激光光电子能谱进行新型材料基础研究方面的工作,就不得不寻求与中国人的合作。应当说,在精密科学仪器方面,我国长期处于受制于人的尴尬境地,而中科院此次在光电子能谱领域的重大突破,终于使国人长出了一口郁积在胸中多年的闷气。

 笔者从周研究员处获悉,2005年3月,日本东京大学借助中国的技术力量制造了一台分辨率为0.36meV的激光光电子能谱仪。

 不过周研究员同时指出,“那是一台角积分光电子谱仪,它只能给出费米面附近电子的能量分布而没有动量空间的信息。而我们此次研制成功的是角分辨光电子谱仪,它可以同时获得费米面附近电子的能量和动量分布信息。也就是说后者所能得到的信息远远超过前者。”

采访后记:

 2006年7月,周兴江研究员毅然放弃了国外优越的生活和工作条件,携家人回到祖国,回到中科院物理所。当笔者与这为已在国际顶级科技期刊《Science》和《Nature》上发表了五篇论文的年青学者聊起此事时,他只是淡淡地一笑,“除了物理所的实验室条件不错,更重要的是这里的科研氛围适合于我,更和我投缘。另外就是对物理所的这份感情,如果不回来觉得对不起物理所前辈们对我的提携。”

 确实如此,为了营造一个良好的学术氛围,近些年来,中科院物理所不断规范和完善学术活动。除了定期举办学术论坛、学术讲座外,物理所还有一个非常独特的学术活动——“星期四工作午餐会”,这是物理所举办的一个高层的小型学术沙龙。参加人员为院士、实验室主任、研究组负责人、“百人计划”入选者和杰出青年基金获得者。它采用午餐会的方式,每一位成员都有当主持人的机会,旨在营造更为自由、宽松、和谐的学术氛围和环境,激发、活跃创造性思维,增进情感交流。

目前,一批像周兴江研究员这样40岁上下的科学家已经在物理所挑起了大梁,在物理研究的某些前沿领域,他们中的许多人已经可以在国际学术交流中和国外的同行平等地对话。

  “细推物理须行乐,何用浮名绊此生”。能够放眼世界科学前沿,敢于提出“只争一流”的目标并付诸实践,这在基础研究的学科领域,都是需要相当的实力和一定的勇气以及顽强的拼搏精神。从周兴江研究员身上,我们不但感受到我国科技工作者在“挑战第一”过程中表现出的沉稳与自信,也感受到他们用自己的聪明才智报效祖国的拳拳之心。

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