記者走進中國科學技術大學西區的“紅外-太赫茲自由電子激光裝置”實驗室，只見一間不大的輻射防護房里布滿了各式設備，墻壁上安裝了各種管道。房間拐角處那臺3.5米長的設備就是世界上第一臺緊湊型可調諧預聚束太赫茲激光器，用來“造”太赫茲光。
出了防護房，走向一樓，房間正中有一處深4.8米的“大坑”，里面矗立著一個長圓柱體——世界上首個冷壁貫穿大口徑矢量強磁體。磁體下端集成了近場探測分系統。平時，研究人員就順著窄窄的梯子下到“坑”里，利用太赫茲光源“診斷”量子材料的特性。
這正是由中國科學技術大學杰出講席教授陸亞林帶領團隊研發的國家重大科研儀器研制項目“太赫茲近場高通量材料物性測試系統”。2024年7月，該項目順利通過國家驗收。
回首研發歷程，近日陸亞林在接受《中國科學報》采訪時表示：“系統得以研制成功，主要歸功于團隊成員具備良好的多學科交叉素養、團結協作，以及勇于挑戰、不懼失敗的科學精神。”
陸亞林和太赫茲激光器。受訪者供圖
從微波到太赫茲波
故事要從1997年說起。彼時，陸亞林在美國加州大學伯克利分校做研究，師從著名化學家Peter G. Schultz。他們共同致力于微波頻段研究，并合作發明了世界上第一臺非線性近場微波掃描探針顯微鏡，相關研究論文發表于當年的《科學》。
“微波的波長是毫米級，而我們要實現的是原子尺度成像，傳統方法根本無法做到。”陸亞林解釋，這項工作的核心價值在于克服了衍射極限，實現了對材料介電性質的無損、高空間分辨率、高靈敏度成像，為后續材料研究提供了強大工具。顯微鏡產業化后，被世界多個實驗室廣泛使用。
“如果將微波替換為太赫茲波，會怎么樣？”陸亞林開始將目光轉向波長更短的太赫茲波。
“太赫茲波是電磁波譜中一個特殊波段，介于微波和紅外波段之間，頻率范圍在0.1太赫茲至10太赫茲，具有穿透性強、方向性好、安全性高等特性。微波和紅外多年以前就有了成熟的應用，比如紅外攝像頭、紅外體溫計、微波雷達等，但很長一段時間里，太赫茲波還是一個尚未被完全認知和利用的波段。”陸亞林說，以至于在2015年前國際上有個很著名的術語，即太赫茲“空白”。
太赫茲“空白”存在的主要原因首先是缺乏穩定、高功率、可調諧的太赫茲光源和有效的探測技術。“可見光的光源有手電筒和激光，X光有X光管，微波有發生器，但太赫茲波沒有這樣的‘手電筒’。其次，太赫茲波的波長較長，很難實現納米級別的空間分辨率。這就好比用粗大的毛筆寫細小的字，技術挑戰非常大。”陸亞林表示。
陸亞林想試試。他曾于2000年前后向美國國家自然科學基金會申請項目，希望研究關聯氧化物材料在太赫茲波段的響應，但遭到了拒絕。“我想做在美國沒做成的事。”2008年，他毅然回國。
2013年，陸亞林首次向國家自然科學基金委員會申請國家重大科研儀器研制項目，由于太赫茲光源的產生方案不夠詳細，未獲得資助。此后幾年里，他帶領團隊不斷優化方案，大膽提出研制一臺緊湊型太赫茲自由電子激光器，同時在探測終端，創新性地提出“雙探針探測”新方法。更重要的是，經過閱讀文獻和不斷思考，他找到了太赫茲波段對應的關鍵科學問題。
“功能材料中的絕大部分準粒子頻率正好位于太赫茲頻段，它們的精密觀測需要‘看得見’（納米分辨）、‘認得出’（全能段覆蓋）、‘跟得上’（飛秒超快測量）、‘控得住’（多場多維度調控）。以太赫茲波作為探針，有望幫助我們分析和理解與準粒子相關的新奇物理和化學特性。”陸亞林說。
比如，超導、半導體、多鐵、巨磁阻等都屬于功能材料，它們是推動信息、能源、光電子等國家重大戰略需求領域發展的堅實基礎。
2016年11月，“太赫茲近場高通量材料物性測試系統”項目終于獲批。2017年4月，項目啟動。
“咬緊牙關，加油干”
既然沒有太赫茲光源，就自己“造”。
項目啟動后，陸亞林帶領團隊利用預聚束電子束團串激發太赫茲相干輻射、輕量化固定磁極間隙波蕩器、電控偏振分合束激光脈沖串成型光路等創新技術，研制了世界上第一臺緊湊型可調諧預聚束太赫茲激光器。
該激光器不僅在設計上實現了高度緊湊化，將傳統需要百米長的裝置壓縮到3.5米以內，而且具備高度靈活性，能夠根據不同的測試需求精準調節太赫茲激光中心頻率，為探測提供了準確和可靠的光源支持。
在多物理場技術方面，團隊同樣實現了多項突破——合作研制出世界首個冷壁貫穿大孔徑矢量強磁體，樣品測量腔直徑達130毫米，溫度低至零下270攝氏度，磁場垂直方向9特斯拉，水平方向5特斯拉，并且可以調控產生磁場的大小和方向。
世界首臺，意味著沒有經驗可供學習和重復。“試著想象一下，同時將光源、探針、樣品等眾多組件全部放入磁體腔內，并浸泡在液氦中，在接近絕對零度的極低溫環境下，實現光打進去、信號引出來，同時還要考慮各種可能的發熱問題……”陸亞林坦言，這是一個巨大的工程挑戰。
為此，他們與英國牛津公司展開了長達數年的聯合攻關。其間經歷了多次失敗，尤其是在疫情期間，中外工程師無法面對面交流，第一次出廠測試即告失敗，幾乎讓人崩潰。
經過無數次越洋視頻會議和設計修改，這臺獨一無二的磁體終于研制成功。為了抗干擾，他們還精心設計了一個4.8米“深坑”，將磁體放置在“坑”里。
在近場探測技術方面，研究團隊自主研制了大范圍高通量壓電馬達和全非金屬高穩定的原子分辨鏡體，實現了1平方厘米大范圍和0.14納米空間分辨率的雙掃描模式，滿足了潛在高通量功能材料篩選的需要。
“盡管困難重重，也要咬緊牙關，加油干。”歷時7年，陸亞林帶領團隊攻克了復合光源、多物理場條件以及近場探測分系統到整體集成的無數技術攻關，獲得了50多項發明專利，成功研制出太赫茲近場高通量材料物性測試系統。
就在調試系統過程中，研究團隊還取得了兩項標志性科研成果，顯示了儀器強大的科學探測能力：一是突破了過去認為需要滿足100開爾文以下的低溫以及真空條件下的限制，在國際上首次獲得了“室溫大氣”環境下的原子分辨太赫茲隧道電流成像；二是突破了多場條件集成技術瓶頸，首次獲得低溫矢量強磁場下的原子分辨太赫茲近場隧道電流成像。
“科技創新，必須要敢想敢做”
2024年7月，太赫茲近場高通量材料物性測試系統迎來“大考”。
專家組一致認為：“系統可實現在太赫茲寬譜段對特定物性進行高分辨、高靈敏的近場高通量測試。”“利用該系統的超快光學特性，激發和研究關聯材料體系中各類元激發及其瞬態行為，將對超導、拓撲、磁性等量子功能材料的發展起重要作用，同時也會對生命科學、醫藥、能源材料等領域產生重要影響。”“該系統在研制過程中所發明的光源技術、元器件等也具有產業價值。”
陸亞林懸了多年的心，終于落地了。從追逐個人夢想到完成國家級項目，他感觸最深的是“科技創新，必須要敢想敢做”。
“驗收成功只是開始，后續的運行維護、升級開放，都需要穩定投入。”陸亞林呼吁國家對這些經過嚴格驗證的重大科學儀器建立專門的后期運行維護資助機制，確保“國之重器”持續發揮作用。
陸亞林透露，他們已在規劃下一代“超快太赫茲自由電子激光系統”，以期研究新型量子態的超快動力學過程。那時，將與現有系統聯動，形成世界上唯一的一個面向功能材料研究，具有多場條件、多維度空間分辨、多時間尺度能力的太赫茲研究裝置集群。
《中國科學報》：你認為這套系統的成功研制，對我國乃至世界在重大科研儀器研制領域的自主創新有何啟示？
陸亞林：科學儀器的研制要有明確的科學目標驅動，也要有清晰的應用場景顯示，或者說明確的重大需求背景，更要有敢于挑戰、敢于創新、敢于面對失敗的精神。要實現科學儀器研制的真正自主創新，亟須建立更加科學、公正的項目評審機制和人才評價機制，并提供長期穩定的支持。
《中國科學報》：請你展望這套系統最終能為人類科學認知和技術進步帶來哪些貢獻？
陸亞林：探索功能材料里深層次的物理機理，尤其是量子層面的物理過程，需要有相對極端的實驗條件，這就給實現這些條件帶來了嚴苛的技術挑戰。這套系統在多項技術領域取得了突破，比如緊湊源、大口徑矢量磁體、大范圍精密掃描、雙探針探測等，可以廣泛應用于相關領域，同時具有不錯的產業化前景。這個系統提供的測量能力，能夠滿足發現新型量子功能材料、發現面向量子計算的新型量子比特、實現面向生命科學研究的極高靈敏度的磁共振、理解新型物理化學機制等的需求。這些潛在的貢獻將是巨大的。當然，我們需要一個好的開放共享機制來實現。
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