周興江：跨越世界光電子能譜儀的“巔峰”

跨越世界光電子能譜儀的“巔峰”——訪周興江研究員

“也許在不久的將來，借助真空紫外激光角分辨光電子能譜儀，高溫超導電性產生的機理將被揭示，高溫超導體所表現出的許多奇異的物理性質將得到解釋。”

2007年的元旦剛過不久，作為“真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”研究項目的負責人，中科院物理研究所周興江研究員在接受本網工作人員專訪時做出如上的表述。

國際首創的“火眼金睛”

 2006年12月28日，由中科院物理研究所和理化技術研究所聯合研制的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀通過了中科院主持的鑒定。由龔昌德院士擔任組長，包括于淥院士、甘子釗院士、夏建白院士等參加的鑒定組給予了該項目高度的評價，“真空紫外激光角分辨光電子能譜儀的主要性能和技術指標在國際上處于領先地位：它具有超高的分辨率、超高的光束流量，具備了研究 體效應的可能性。”

為什么專家鑒定組特別要強調這一系統在‘體效應’研究方面的優勢呢？周興江研究員深入淺出地為筆者進行了解答：

　“就某些材料而言，其表面電子結構和體電子結構可能并不相同。而對先進材料，人們更關心的主要是它們的體性質。與大家比較熟悉的采用X光電子能譜儀對材料表面元素進行成分或形態分析相比，真空紫外激光的使用，使光電子能譜技術真正測量材料的體性質第一次成為可能，這也是使用真空紫外激光的最顯著特點。如果說前者是一種材料表面化學表征工具的話，那么后者則是對材料的物理性質進行基礎研究的一種科學手段。”

 　在真空紫外激光光源被應用之前，傳統的同步輻射光源或氣體放電光源存在一個長期困擾光電子能譜的問題——也就是所測量的光電子只來自樣品表面5~20埃的深度，對于眾多先進的材料而言，僅表面幾個原子層的電子能否反應材料的體性質？這一直是個未知數。而使用紫外激光，在光電子能量為6.994eV時，預計對應的光電子逃逸深度約為200埃，所以和同步輻射光源或氣體放電光源相比，這時所得到的測量結果更代表材料的體性質。

 　“我是在美國工作期間偶爾讀到一篇文獻，其中介紹了可采用激光作為光電子能譜儀光源，并且發現文章的作者是中國人。由于我在美國一直是從事角分辨光電子能譜的研究，因此，當讀到這篇文獻時，激動的心情實在是難以用語言表達。我立刻向我的導師，中科院物理所的趙忠賢院士發去了電子郵件，希望能通過他與文章作者取得聯系。”周研究員回憶道。

 　此外，由于真空紫外激光的使用，使得這一系統還具有一些獨特的優勢，從而把現有的技術提高到一個新的臺階。如采用的真空紫外激光能量分辨率為0.26meV，整體系統的能量分辨率達到0.68meV，是目前國際上角分辨光電子能譜達到的最佳能量分辨率，比通常的同步輻射光源提高了一個量級。動量分辨率也有顯著的提高。真空紫外激光產生的光束流量則比通常的同步輻射光源提高兩到三個量級。

　周研究員告訴筆者，初步的實驗結果表明，該系統工作正常，測量的數據精確，對高溫超導體Bi2212的測量，獲得了線寬為12meV的能量分布曲線，這是目前所有文獻中測量的最窄線寬。對LSCO等高溫超導體的初步測量，表明該真空紫外激光角分辨光電子能譜儀適合于開展復雜體系的精細電子結構的研究。

人工晶體點亮新一代激光光源

　“這一項目是由三個課題組合作完成的：中國科學院理化所陳創天院士領導的研究組發明了一種新型紫外非線性光學晶體——KBBF晶體，這是目前可匹配倍頻波長最短的晶體；但由于KBBF晶體具有層狀習性，無法按照相位匹配方向切割，不能直接實現六倍頻相位匹配。而六倍頻深紫外激光對于開拓深紫外光譜學、能譜學等領域的研究具有重要意義。因此，陳創天院士和中國科學院物理所許祖彥院士共同提出了一種棱鏡耦合方法，用兩個棱鏡通過光膠耦合在KBBF晶體兩面，將光耦合進晶體實現相位匹配，解決了六倍頻匹配問題。這一技術已獲得中國、美國、日本三國的發明ZL；我本人領導的課題組則負責能譜儀部分的搭建，以及整個系統的整合。”

　“如果把我們的工作比喻成一部交響樂的話，那么陳、許兩位院士所完成的部分應當說是這部交響樂中最華采的樂章。可以這樣認為，沒有KBBF晶體和棱鏡耦合技術就不可能有這樣一臺超高分辨率光電子能譜儀。”周研究員誠懇地表示。

　通過查閱相關資料，筆者了解到，在我國863等相關科技計劃支持下，我國自主研制并在國際上首次成功生長出了具有實用價值的器件級KBBF單晶體，成功研制出了由KBBF晶體和CaF2晶體組成的棱鏡耦合器件。

　具有完全自主知識產權的氟硼酸鈹鉀（KBBF）連同硼鈹酸鍶（SBBO）等新型深紫外非線性光學晶體的成功研制，使得深紫外波段的直接倍頻輸出和寬調諧成為可能。<BR><BR>&nbsp; &nbsp;&nbsp; 　“這就表明我們可以獲得真空紫外光譜區準連續波（QCW）的激光，而這正是使光電子能譜儀的能量分辨率優于1meV的核心技術。”周研究員向筆者道出了其中的關鍵。<BR><BR>&nbsp;&nbsp;&nbsp; “借助這臺激光光電子能譜儀的超高分辨率，我們能夠更仔細地了解固體的特性。例如，奇異的超導體在超導態時，超導電子態密度分布的測定需要光電子能譜儀的能量分辨率優于1meV。”周研究員說，“然而，以前的光電子能譜儀其分辨率均達不到1meV，因此，觀察不到超導體在超導態時的超導電子態密度的變化。而通過這臺儀器，我們就可以直接觀察到超導體在超導態時的超導電子態密度的變化。”

   基礎研究與儀器研發

 　作為一名長期從事高溫超導材料和其它先進材料中奇異量子現象的微觀機理研究的物理學家，筆者很感興趣周興江研究員是如何與儀器研發打上交道的？

　“我想應該是有兩方面的原因：一方面，作為一種尖端基礎研究的科學手段，到目前為止紫外光電子能譜儀（UPS）是沒有現成的商品化儀器的，這一點和X光電子能譜儀（XPS）有很大不同。一般是由研究者根據自己實際工作的需要，提出設計思路，確定性能指標，然后自己動手采購零部件進行儀器裝置的搭建；另一方面，可能和我曾經長期在美國工作，所受到的熏陶有關。我在美國斯坦福大學同步輻射實驗室以及美國Berkeley國家實驗室工作了七年，在那里，我感覺到一個與國內最大的不同是，他們經常是一年到頭在搭建儀器、改造儀器。基礎研究不同于一般的技術開發和技術應用，它的特點決定了在這個領域里只有世界第一，沒有世界第二。而要想做到第一，一個很重要的條件就是他所使用的科研手段必須要有獨到的創新之處，而商品化儀器或裝置卻很難滿足這一點

對于基礎研究與儀器研發之間的辨證關系，周研究員侃侃而談。

 “作為全國基礎研究方面最高等級的科研院所，中國科學院在提高本院科學儀器的研制創新水平方面同樣下了很大工夫，中科院綜合計劃局專門為此設立了‘儀器設備研制和改造專項’。以我們這個項目為例，從2004年10月正式立項到2006 年底通過專家組鑒定，共得到這一專項以及中科院‘百人計劃’給予的四百余萬元專項經費的支持。”

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　現在，國外許多一流的科研機構對于光電子能譜領域的這一重大科研成果，均表現出了濃厚的興趣。特別是這一成果中的多項關鍵技術的ZL均掌握在中國人手中，因此國外如果想利用紫外激光光電子能譜進行新型材料基礎研究方面的工作，就不得不尋求與中國人的合作。應當說，在精密科學儀器方面，我國長期處于受制于人的尷尬境地，而中科院此次在光電子能譜領域的重大突破，終于使國人長出了一口郁積在胸中多年的悶氣。

　筆者從周研究員處獲悉，2005年3月，日本東京大學借助中國的技術力量制造了一臺分辨率為0.36meV的激光光電子能譜儀。

　不過周研究員同時指出，“那是一臺角積分光電子譜儀，它只能給出費米面附近電子的能量分布而沒有動量空間的信息。而我們此次研制成功的是角分辨光電子譜儀，它可以同時獲得費米面附近電子的能量和動量分布信息。也就是說后者所能得到的信息遠遠超過前者。”

采訪后記：

　2006年7月，周興江研究員毅然放棄了國外優越的生活和工作條件，攜家人回到祖國，回到中科院物理所。當筆者與這為已在國際頂級科技期刊《Science》和《Nature》上發表了五篇論文的年青學者聊起此事時，他只是淡淡地一笑，“除了物理所的實驗室條件不錯，更重要的是這里的科研氛圍適合于我，更和我投緣。另外就是對物理所的這份感情，如果不回來覺得對不起物理所前輩們對我的提攜。”

 確實如此，為了營造一個良好的學術氛圍，近些年來，中科院物理所不斷規范和完善學術活動。除了定期舉辦學術論壇、學術講座外，物理所還有一個非常獨特的學術活動——“星期四工作午餐會”，這是物理所舉辦的一個高層的小型學術沙龍。參加人員為院士、實驗室主任、研究組負責人、“百人計劃”入選者和杰出青年基金獲得者。它采用午餐會的方式，每一位成員都有當主持人的機會，旨在營造更為自由、寬松、和諧的學術氛圍和環境，激發、活躍創造性思維，增進情感交流。

目前，一批像周興江研究員這樣40歲上下的科學家已經在物理所挑起了大梁，在物理研究的某些前沿領域，他們中的許多人已經可以在國際學術交流中和國外的同行平等地對話。

　 “細推物理須行樂，何用浮名絆此生”。能夠放眼世界科學前沿，敢于提出“只爭一流”的目標并付諸實踐，這在基礎研究的學科領域，都是需要相當的實力和一定的勇氣以及頑強的拼搏精神。從周興江研究員身上，我們不但感受到我國科技工作者在“挑戰第一”過程中表現出的沉穩與自信，也感受到他們用自己的聰明才智報效祖國的拳拳之心。