科研儀器不僅是科學(xué)研究的基礎(chǔ)工具，也是推動(dòng)科技進(jìn)步的關(guān)鍵因素之一。
多年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所（以下簡(jiǎn)稱物理所）研究員郇慶致力于高端科研儀器的研發(fā)，為此傾注了大量的心血和智慧。通過(guò)不懈的努力和持續(xù)的創(chuàng)新，郇慶開(kāi)發(fā)出包括各類控制器、精密放大器、束源爐、低溫恒溫器等在內(nèi)的一批核心關(guān)鍵部件，并完成了掃描探針顯微鏡、分子束外延、激光分子束外延、原子層沉積等成套系統(tǒng)的研制。如今，這些設(shè)備已應(yīng)用于科研，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了強(qiáng)有力的工具支持，加快了科學(xué)探索的進(jìn)程。2021年，郇慶獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱杰青項(xiàng)目）支持。
近日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》獲悉，郇慶帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的基于無(wú)氦氣制冷技術(shù)的極低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)，已經(jīng)將制冷溫度降至0.4開(kāi)爾文（K），有望為我國(guó)在超導(dǎo)材料、量子計(jì)算等領(lǐng)域的科學(xué)探索提供有力保障?！捌诖诮芮囗?xiàng)目支持下，我們團(tuán)隊(duì)能打破學(xué)科壁壘為科學(xué)家打造出‘利器’，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)作出自己的貢獻(xiàn)！”郇慶說(shuō)。
瞄準(zhǔn)高端科研儀器
在博士研究生階段，郇慶就種下了研制高端科研儀器的理想的種子。那是在2005年前后，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)爾灣分校教授何文程（Wilson Ho）來(lái)到物理所作報(bào)告。報(bào)告中，何文程不僅介紹了他的課題組開(kāi)展工作的情況，還特別提到組內(nèi)的主要儀器設(shè)備全部是自主研制，每臺(tái)儀器都有不同特色，或增加磁場(chǎng)或耦合激光，完全根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)。何文程課題組的規(guī)模雖然不大，但在領(lǐng)域內(nèi)頻出頂級(jí)工作成果。郇慶認(rèn)為，這些頂級(jí)工作成果的產(chǎn)出正是得益于根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮托枨笞孕性O(shè)計(jì)并改進(jìn)的儀器設(shè)備。
正好那時(shí)郇慶所在的實(shí)驗(yàn)室剛剛購(gòu)買了一臺(tái)進(jìn)口的先進(jìn)設(shè)備——超高真空四探針掃描隧道顯微鏡。開(kāi)箱時(shí)，他和在場(chǎng)的其他學(xué)生一樣，被設(shè)備的復(fù)雜性和精密性深深震撼。雖然很想學(xué)習(xí)，但來(lái)自生產(chǎn)廠家的外國(guó)工程師忙著安裝調(diào)試，顧不上給他們講解?！耙环矫婵吹竭@臺(tái)設(shè)備與之前的設(shè)備相比差距很大，我們被設(shè)備的復(fù)雜、精密所震驚，生怕弄壞而不敢動(dòng)任何部分；另一方面也在想，為什么我們中國(guó)生產(chǎn)不出這么復(fù)雜的設(shè)備？”郇慶回憶。
在這兩件事的反差中，郇慶真切感受到，物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，科研成果在水平上的差距，很大程度上源于儀器設(shè)備的差距。于是，在物理所導(dǎo)師的支持下，郇慶前往加利福尼亞大學(xué)爾灣分校何文程課題組學(xué)習(xí)，瞄準(zhǔn)高端科研儀器方向，完成了博士及博士后階段的學(xué)習(xí)和工作。
冷門賽道艱難前行
2011年，郇慶完成博士后階段工作回到物理所工作。彼時(shí)，郇慶了解到，隨著國(guó)家實(shí)力增強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)家開(kāi)始有了更多資金購(gòu)買國(guó)際上最先進(jìn)的設(shè)備，加之中國(guó)科技工作者更加勤奮努力，科研成果數(shù)量迅速提升。但是，我國(guó)科學(xué)研究更多處于“跟隨”狀態(tài)，引領(lǐng)性的原創(chuàng)想法和成果十分有限。郇慶判斷，如果儀器裝備自主研制的水平不提高，必將成為制約中國(guó)科研水平進(jìn)一步提升的瓶頸。這更加堅(jiān)定了他要開(kāi)發(fā)出擁有中國(guó)人自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端科研儀器的理想信念?！熬桶l(fā)表文章數(shù)量來(lái)講，我們國(guó)家的確是突飛猛進(jìn)?！臂☉c告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“很多原創(chuàng)性想法，全世界聰明的科學(xué)家能想得到，但不是每個(gè)想到的人都有能力證實(shí)?！痹谒磥?lái)，誰(shuí)能掌握獨(dú)特的科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)想法，才能取得真正的領(lǐng)先地位。而在這點(diǎn)上，依靠誰(shuí)都能買到的現(xiàn)成商業(yè)化成熟儀器往往很難實(shí)現(xiàn)，自行研制高端科研儀器才是“獨(dú)門絕技”。
當(dāng)然，郇慶也清楚，相比買現(xiàn)成儀器就能發(fā)文章的常規(guī)科研方式，他所選的是一條冷門且艱難的賽道?！皣?guó)外的儀器公司已經(jīng)發(fā)展了幾十年甚至上百年時(shí)間，它們積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)。我們中國(guó)科學(xué)家自制一臺(tái)儀器，短期內(nèi)想要全面超越這些公司幾乎不可能?！臂☉c介紹，研制一臺(tái)儀器的成本往往高于購(gòu)買一臺(tái)同類商業(yè)化儀器，除了購(gòu)買材料的費(fèi)用，還需要支付更長(zhǎng)研發(fā)周期內(nèi)參與研發(fā)的學(xué)生和工程師們的人工成本，更要考慮反復(fù)試錯(cuò)所必須的重新設(shè)計(jì)和加工費(fèi)用。因此，面對(duì)研發(fā)周期長(zhǎng)、失敗風(fēng)險(xiǎn)高的困難，過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，評(píng)價(jià)體制都給郇慶帶來(lái)了極大的壓力。他甚至面臨“生死”問(wèn)題：“哪家研究所或高?？梢匀萑桃粋€(gè)國(guó)外回來(lái)的年輕人3至5年不出成果？”所幸，在物理所的包容和支持下，郇慶咬著牙堅(jiān)持下來(lái)。沒(méi)有學(xué)生，就通過(guò)與其他課題組合作“借用”；沒(méi)有工程師，就“忽悠”多年的好哥們兒從知名大廠跳槽一起合作；沒(méi)有經(jīng)費(fèi)，就越挫越勇地申請(qǐng)……
轉(zhuǎn)機(jī)在2014年到來(lái)。那一年，郇慶與物理所超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室金魁和袁潔團(tuán)隊(duì)合作，一起獲得了中國(guó)科學(xué)院儀器研制項(xiàng)目“高通量連續(xù)組分外延薄膜制備及原位局域電子態(tài)表征系統(tǒng)”的資助。“經(jīng)費(fèi)不夠，幾個(gè)剛回國(guó)的年輕人把全部啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)都湊到一起，終于把這臺(tái)儀器做了出來(lái)，有點(diǎn)破釜沉舟的感覺(jué)?！臂☉c回憶說(shuō)。該系統(tǒng)不僅是國(guó)際上首臺(tái)兼具高通量制備薄膜生長(zhǎng)和原位精準(zhǔn)表征的尖端儀器，采用了團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的新一代高通量連續(xù)組分薄膜制備技術(shù)，同時(shí)也是材料基因組研究平臺(tái)的重要技術(shù)工作基礎(chǔ)。這一項(xiàng)目的成功不僅讓郇慶在未來(lái)的一段時(shí)間里可以甩開(kāi)膀子干事兒、不用再為生存發(fā)愁，也讓郇慶向同行證明了中國(guó)科學(xué)家完全有能力研制高端科研儀器。郇慶帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)總算蹚出了一條路。他們從共性技術(shù)和核心關(guān)鍵部件著手，先后主持或核心參與研制搭建了各類真空系統(tǒng)十余臺(tái)套，包括“新型光學(xué)-掃描探針顯微鏡及分子束外延聯(lián)合系統(tǒng)”“超高真空變溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)”等。
杰青項(xiàng)目垂青
“很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我都沒(méi)想過(guò)申報(bào)杰青項(xiàng)目。”在郇慶心里，杰青項(xiàng)目專門資助基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的高層次人才，他認(rèn)為自己的工作似乎與杰青項(xiàng)目的那個(gè)“框”還有差距。多年來(lái)，郇慶除了申報(bào)國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目之外，從未申報(bào)過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）的面上項(xiàng)目，由于經(jīng)費(fèi)申報(bào)主攻儀器類，也沒(méi)有發(fā)表過(guò)所謂“頂刊”論文?！捌駷橹梗抑话l(fā)表了30多篇文章，雖然其中有多篇儀器類頂級(jí)刊物的代表作，但該刊物的影響因子只有一點(diǎn)幾。”他說(shuō)。
2020年11月，在強(qiáng)化我國(guó)學(xué)科交叉以及尋求新科研范式變革的科技發(fā)展新態(tài)勢(shì)下，自然科學(xué)基金委成立交叉科學(xué)部。為了給基礎(chǔ)科學(xué)研究提供重要工具，交叉科學(xué)部大力鼓勵(lì)科學(xué)家進(jìn)行高端科研儀器、科學(xué)軟件等科學(xué)工具的創(chuàng)制，以打破國(guó)內(nèi)高端科研儀器和關(guān)鍵科學(xué)軟件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。
對(duì)此，郇慶有一種找到“家”的感覺(jué)。自己的工作有著濃濃的“交叉”味兒，設(shè)計(jì)一臺(tái)儀器不僅需要理解其物理原理，還要涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、化學(xué)過(guò)程、材料科學(xué)等方面。例如，包含化學(xué)氣相沉積（CVD）的儀器需要深入理解化學(xué)反應(yīng)；選擇儀器所用的材料時(shí)則必須考慮其硬度、彈性、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等物理特性，離不開(kāi)材料科學(xué)；設(shè)計(jì)完成后還需要通過(guò)軟件和硬件來(lái)控制儀器運(yùn)行，控制針尖掃描和生長(zhǎng)過(guò)程則要用到電子學(xué)和軟件工程。于是，他以《材料制備與物性表征科研儀器設(shè)備的自主研制與研究應(yīng)用》為題，提交了杰青項(xiàng)目申請(qǐng)書，并于2021年成為自然科學(xué)基金委交叉科學(xué)部首批獲杰青項(xiàng)目資助的學(xué)者之一。
穩(wěn)步推進(jìn)取得進(jìn)展
申請(qǐng)過(guò)程中，郇慶體會(huì)到，杰青項(xiàng)目申報(bào)書填寫的內(nèi)容與此前儀器類項(xiàng)目有所不同?！皟x器項(xiàng)目的申請(qǐng)書主要圍繞做什么儀器、科學(xué)目標(biāo)和意義以及最終技術(shù)指標(biāo)等核心內(nèi)容展開(kāi)，但杰青項(xiàng)目作為一類人才項(xiàng)目，主要是介紹過(guò)去工作基礎(chǔ)以及未來(lái)工作計(jì)劃，而不僅僅呈現(xiàn)研發(fā)設(shè)備的先進(jìn)程度?！彼榻B道。項(xiàng)目執(zhí)行3年來(lái)，郇慶一步一個(gè)腳印，穩(wěn)步推進(jìn)工作，目前已經(jīng)取得進(jìn)展。他們研制了基于無(wú)氦氣制冷技術(shù)的極低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)。據(jù)介紹，這套系統(tǒng)的技術(shù)路線由郇慶課題組原創(chuàng)，與現(xiàn)有的所有商業(yè)化產(chǎn)品及國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)的技術(shù)方案都不同，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了先進(jìn)水平。
目前，國(guó)際上美國(guó)和德國(guó)的公司生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品制冷溫度為9K、日本公司的產(chǎn)品為5K。而郇慶團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3K以下的制冷溫度。目前，在實(shí)驗(yàn)室中這一溫度已降至0.4K。同時(shí)，國(guó)外產(chǎn)品存在的振動(dòng)問(wèn)題直接影響掃描隧道顯微鏡的分辨率。對(duì)此，他們采取將制冷機(jī)遠(yuǎn)離顯微鏡和超流氦的策略，有效解決了振動(dòng)問(wèn)題；同時(shí)結(jié)合連續(xù)流冷卻方式，通過(guò)柔性輸液桿實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)程冷卻”，顯著提高了冷卻效果并降低了噪聲。
“我們正在進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)，朝著更低的溫度進(jìn)軍?！臂☉c表示。在杰青項(xiàng)目進(jìn)行中，郇慶對(duì)未來(lái)充滿了希望：“我們期待能夠補(bǔ)全或超越國(guó)外已有的高端儀器和技術(shù)。例如，掃描隧道顯微鏡領(lǐng)域中的低溫技術(shù)、功能化技術(shù)等?！蓖瑫r(shí)，郇慶計(jì)劃與不同領(lǐng)域的科學(xué)家開(kāi)展合作，利用他們?cè)谡婵铡⒏邏?、低溫制冷等領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，將一系列共性技術(shù)拓展到其他科學(xué)儀器上。更長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃則是探索將這些技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于科研領(lǐng)域之外，滿足對(duì)可靠性和成本效益更嚴(yán)格的要求，解決國(guó)家重大需求層面的問(wèn)題。
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