光电之眼探秘“瞬息世界”

别致　熊燕

要炒出一盘美味佳肴，调料放到恰到好处十分关键。

与炒菜相似，在研发新材料的过程中，加什么样的核心元素、加多少进去，直接影响到产出的材料性能。

要精准掌握产品的参数，并非易事，微观世界的差之毫厘，可能会让宏观世界谬以千里。

“以前要研发核心产品，生产工艺参数的调控与优化可能需要10年甚至20年时间。如果能把宏观性能随工艺参数变化背后的微观机制弄清楚，再去调控时，就知道该朝哪个方向改进，这样一来研发新产品就会快很多。”重庆大学电子显微镜中心透射电镜技术负责人陈厚文说。

而今，随着重庆首个大科学装置超瞬态实验装置项目全速推进，困局打破在望：它将通过同步辐射光源和超瞬态电子显微两种探针，带领人们走进“瞬息世界”，探寻物质内部构造。

大科学装置是推动重大科技创新的大国利器，在重庆建设具有全国影响力的科技创新中心的路途上，超瞬态实验装置将创造无限可能。

大器：多维尺度相互耦合

说到“超瞬态”，高级酷炫和高深难解两个词难免会接踵出现在人们的脑海中。

简单来说，占地500亩的超瞬态实验装置，就像一个超大号的显微镜，用来从空间尺度和时间尺度探测微观世界的细微结构。

实现这一技术的，就是超瞬态同步辐射光源和超瞬态电子显微镜集群两大核心部分。

“超瞬态实验装置是提供时间（光子）与空间（电子）多维研究与调控的重大科技基础设施。”重庆大学电子显微镜中心副主任黄天林介绍，多维度多尺度表征是材料研究的基础。

超瞬态同步辐射光源的基本原理，就是电子束在接近光速运动时，发生偏转而发出同步辐射光，作为光子探针给需要光的研发用户提供实验支撑。

但要产生高通量的光，必须保证电子束在环形通道内运动时“通行无阻”。为此，科研人员选用了导电率高的铜作为管道材料，并保证真空管道内壁极其光滑。

“我们自主研发的强流真空技术大大提高了实验的安全性与成功率，现在这一装置可以运行高達1安培的电流强度，这在全国范围内都是领先的。”谈及此，超瞬态实验室副主任姜伯承自豪不已。

而超瞬态电子显微镜集群则是以重庆大学自主研发的世界首套超瞬态自旋极化低能电子显微镜、世界领先的四维透射电镜为核心的综合化、集成化电子显微平台，可实现对物质在力、热、磁、电和辐照等多种激发下的多维多尺度多信息耦合表征。

得益于此，超瞬态实验装置不仅能了解物质静态的结构，也能够探寻物质动态的变化过程，其精确程度在时间尺度上可从飞秒到秒，在空间尺度上可从埃米到米。

1飞秒就是1秒的一千万亿分之一，宇宙中“跑”得最快的光在1飞秒内也只能运动300纳米。1埃米是1纳米的十分之一，大约就是一根头发丝的60万分之一。

物质的“瞬息”之变在超瞬态下一览无遗，实现了多维度多尺度研究非平衡态物质的结构、动态演化与性能。

大举：从无到有定制设计

7月6日，走进西部（重庆）科学城，满目绿意、生机盎然。在位于其核心区域的重大科技基础设施聚集区内，又一根桩基顺利浇筑，深深扎进地下。

这是超瞬态实验装置项目第一阶段的建设现场。

“其实，一般四层的科研楼建筑，如果地质条件好，是不需要桩基的，大部分只需要做一个浅基础。”重庆大学基建规划处工作人员傅晏说。

然而同样是四层楼，超瞬态实验装置项目不仅没有做浅基础，反而在第一阶段就要使用100余根桩基。

这样费时费力费钱有必要吗？

答案是肯定的。

第一阶段，这里将完成500MeV低能强流同步辐射光源和3个超瞬态电子显微集群的建设。这些实验装置比一般项目对环境的要求更为苛刻。

早在2022年8月取得规划许可证后，基建规划处带着图纸到实验室与科研团队交流讨论便成为常态。

“建造一般的实验室，我们在了解其需求后，进行标准化基建即可。但这个实验装置在重庆独一无二，没有经验可循，所以我们采取全定制的方式，和专家一起反复打磨商定。”傅晏介绍，例如增加桩基础数量，就是为了解决道路旁汽车通过带来震动的问题。

“两个装置都对震动非常敏感，需要能到亚微米或者纳米级别的稳定度。”姜伯承说，“因为它们都是通过磁铁约束，一旦发生震动，磁铁一抖，电子就会跟着抖，实验就无法正常开展。”

预计到今年底，这100余根桩基稳稳托起的承载着科技创新希望的大楼就能完成封顶。

大计：工业经济蓄势腾飞

在3D打印中，粉末熔化、液滴飞溅、结晶凝固等动态过程都能通过高通量同步辐射光和高时间分辨电子束进行研究，由此揭示3D打印材料的失效机理。

在肺癌早期诊断环节，超瞬态装置超高的空间分辨率和独特的对比度成像机制，能在结节仅为毫米大小时就能准确判定是否癌变。

超瞬态同步辐射光源能够发出光子数目领先世界的紫外波段的光，为我国紫外光应用技术提供重要支撑。

……

这一个个发于毫末的场景，就是未来超瞬态实验装置广阔的应用前景。

“微观结构决定了宏观性能。宏观性能的改变优化，需要从微观的组织、化学元素分布，原子排列方式与方向等机制中去调控。”黄天林表示。

超瞬态实验装置通过对光子和电子的有机结合，能够提升对物质形成超快过程的认知过程，也可以对超快物理、材料和生命科学提供全新的分析手段，为物质科学开展深度研究提供新的重大发现机遇，是承担原始创新重任的“科学重器”。

“像我们的光源装置，就是要产生高通量的光，照在大的样品上，看它的材料结构以及材料成分等，涉及领域包括生物、化学、凝聚态物理、微纳电子等。”姜伯承说，“我们的大装置一开始的定位就是支撑工业发展，这是我们的出发点和落脚点。”

拥有先进的大科学装置，甚至大科学装置群，是重庆成为具有全国影响力的科技创新中心的重要支撑和基本条件，有利于科技创新能力提升、攻克重要领域关键技术、以点带面联动其他领域创新。

重庆本就有良好的工业基础，微电子产业、新材料产业欣欣向荣，超瞬态实验装置的落地将为重庆的工业经济发展安上飞速运转的新引擎。