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通過實驗技術(shù)和理論方法的雙重突破，在國際上率先實現(xiàn)了對原子核量子態(tài)的精確描述，揭示了水的核量子效應(yīng)，該成果發(fā)表于《科學(xué)》期刊；通過開發(fā)新型掃描探針技術(shù)，在國際上首次獲得了單個鈉離子水合物的原子級分辨圖像。掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一種空間分辨率可以達(dá)到原子量級的微觀探測工具。 然而，受電流放大器帶寬的局限，其時間分辨一般只能達(dá)到微秒量級（10-6 s），而很多微觀動力學(xué)過程往往發(fā)生在皮秒（10-12 s）和飛秒（10-15 s）量級。  為了提高STM的時間分辨率，其中一種比較可行的辦法是將超快激光的泵浦-探測（pump-probe）技術(shù)和STM相結(jié)合，利用超快光與電子隧穿過程的耦合來實現(xiàn)“飛秒-埃”尺度的極限探測。

研制出國內(nèi)首臺超快掃描隧道顯微鏡，實現(xiàn)飛秒級時間分辨和原子級空間分辨，并捕捉到金屬氧化物表面單個極化子的非平衡動力學(xué)行為。該工作于5月19日發(fā)表在物理領(lǐng)域頂級期刊《物理評論快報》上，并被選為編輯推薦文章。

幾年，隨著消費電子（手機(jī)、智能手表等）、生物醫(yī)療需求的快速發(fā)展，尤其是代表下一代柔性移動顯示屏OLED的巨大應(yīng)用市場驅(qū)動下，超快激光精密微加工產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)迅速增長。與傳統(tǒng)的納秒長脈沖相比，脈寬小于15皮秒的超快激光器用于材料加工時，由于脈沖的持續(xù)時間短于材料的熱弛豫時間，在加工過程中避免熱效應(yīng)，基本不帶來附加損傷和毛刺，適合于微米乃至納米精度的超精細(xì)冷加工。超快激光的瞬間功率極大，幾乎可以和任何材料相互作用，因此適用于超快激光加工的材料范圍幾乎不受限制，尤其有優(yōu)勢的加工對象包括玻璃、藍(lán)寶石、陶瓷、太陽能薄膜、半導(dǎo)體晶圓、特種合金、精密醫(yī)療器件等。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李曉光團(tuán)隊在前期研究基礎(chǔ)上，基于鐵電隧道結(jié)量子隧穿效應(yīng)，實現(xiàn)了具有亞納秒信息寫入速度的超快原型存儲器，并可用于構(gòu)建存算一體人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該成果在線發(fā)表《自然通訊》雜志上。研究人員制備了高質(zhì)量Ag/BaTiO3/Nb:SrTiO3鐵電隧道結(jié)，其中鐵電勢壘層厚為6個單胞（約2.4nm）。基于隧道結(jié)能帶的設(shè)計，以及其對阻變速度、開關(guān)比、操作電壓的調(diào)控，該原型存儲器信息寫入速度快至600ps（注：機(jī)械硬盤的速度約為1ms, 固態(tài)硬盤的約為1-10ms）、開關(guān)比達(dá)2個數(shù)量級，且其600ps的阻變速度在85℃時依然穩(wěn)定（工業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)）；寫入電流密度4×103A/cm2，比目前其他新型存儲器低約3個量級；一個存儲單元具有32個非易失阻態(tài)；寫入的信息預(yù)計可在室溫穩(wěn)定保持約100年；可重復(fù)擦寫次數(shù)達(dá)108-109次，遠(yuǎn)超商用閃存壽命（約105次）。即使在極端高溫（225℃）環(huán)境下仍能進(jìn)行信息的寫入，可實現(xiàn)高溫緊急情況備用。

已有樣品/n飛秒電子衍射的主要特點是可以在非常短的時間尺度上（ps或fs量級） 顯示反應(yīng)熱、 光、 電， 以及化學(xué)反應(yīng)等對物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的影響， 是研究微晶、 表面、 以及薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的先進(jìn)手段。

依托國家重大儀器專項“高精度光梳成像分析儀應(yīng)用與工程化開發(fā)”（2012-2019年）、國家重點研發(fā)計劃“超短脈沖激光隱形切割系統(tǒng)及應(yīng)用” （2018-2022年），在可見和近紅外波段實現(xiàn)了高光束質(zhì)量、高偏振消光比、抗環(huán)境干擾的超短脈沖輸出。期間，攻克了超短脈沖自穩(wěn)定鎖模技術(shù)、低非線性無畸變脈沖放大技術(shù)，解決了脈沖鎖模器件易受光致?lián)p傷這一制約超快激光發(fā)展和應(yīng)用的根本問題，成功實現(xiàn)了鎖模光纖種子源光路的永久免維護(hù)。項目開發(fā)了國內(nèi)首臺第三代半導(dǎo)體晶圓劃片激光器，在應(yīng)用單位進(jìn)行芯片封測量產(chǎn)，解決了機(jī)械劃片效率低、易崩邊的難題。項目開發(fā)的激光光源在THz光譜儀器、光子3D打印、非線性光譜成像、激光精密測量等領(lǐng)域進(jìn)行示范應(yīng)用。

成功研制出國內(nèi)首臺超快掃描隧道顯微鏡，實現(xiàn)飛秒級時間分辨和原子級空間分辨，并捕捉到金屬氧化物表面單個極化子的非平衡動力學(xué)行為。掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）由于其隧穿電流具有高度的局域性，空間分辨率可以達(dá)到原子量級。然而受電流放大器帶寬的局限，其時間分辨一般只能達(dá)到微秒量級（10-6 s），而很多微觀動力學(xué)過程往往發(fā)生在皮秒（10-12 s）和飛秒（10-15 s）量級。為了提高STM的時間分辨率，其中一種比較可行的辦法是將超快激光的泵浦-探測（pump-probe）技術(shù)和STM相結(jié)合，利用超快光與電子隧穿過程的耦合來實現(xiàn)“飛秒-埃”尺度的極限探測。盡管超快激光技術(shù)和STM相耦合的概念在上世紀(jì)90年代就被提出，但是相關(guān)研究進(jìn)展非常緩慢，主要受限于一系列技術(shù)難點，例如：激光的熱效應(yīng)對STM隧道電流的干擾、激光誘導(dǎo)電流的低信噪比、超快激光脈沖在STM中的展寬、激光與隧穿電子間的耦合機(jī)制等。

本項目以制備超快高儲能柔性器件為導(dǎo)向，建立基于界面納米復(fù)合材料的新技術(shù)。通過水熱法和電化學(xué)方法在柔性導(dǎo)電基底上構(gòu)建納米陣列/金摻雜二氧化錳的三維納米復(fù)合電極，作為正極；通過水熱法和熱處理法在柔性導(dǎo)電基底上生長多孔氧化鐵納米復(fù)合材料，作為負(fù)極，組裝全固態(tài)薄膜器件。利用納米復(fù)合材料的多方面優(yōu)勢加速電子/離子在活性材料中的傳遞，進(jìn)而達(dá)到超快高儲能的目的。基于納米復(fù)合材料的全固態(tài)薄膜器件可展現(xiàn)出超快充電能力（10 V/s），比常規(guī)電容器的充電時間快10-100倍。這是國際上基于金屬氧化物贗電容薄膜型超級電容器研究領(lǐng)域的一個重大突破。此外，本項目以開發(fā)超快超柔儲能器件為導(dǎo)向，開發(fā)了一種熱力學(xué)誘導(dǎo)自發(fā)組裝和原位摻雜結(jié)合碳熱還原的方法來實現(xiàn)石墨烯納米篩粉體和薄膜的宏觀可控制備，解決了傳統(tǒng)石墨烯材料縱向物質(zhì)傳輸差的局限。通過控制碳熱溫度，可以調(diào)節(jié)石墨烯納米篩表面的孔密度，即孔徑大小可控（10~100 nm）。與傳統(tǒng)石墨烯薄膜電極相比，石墨烯納米篩表面豐富的孔結(jié)構(gòu)使得其作為電極材料時擁有更大的比表面積，而且電解質(zhì)離子可以在垂直于平面的軸向上傳遞，縮短了離子傳輸路徑。

 隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，超快超強(qiáng)激光可以在飛秒的時間尺度（1飛秒=10-15 秒）內(nèi)作用于電子使電子產(chǎn)生約0.1納米（1納米=10-9米）量級的空間位移。利用超短超強(qiáng)激光脈沖，人們將可以實現(xiàn)分子尺度下的電子位置的超快及超高精度的位置控制。然而現(xiàn)有的探測技術(shù)，卻無法實現(xiàn)對電子如此微小位移的精確測量。隧道掃描顯微鏡（STM）利用的電子量子隧穿信號能以0.1納米的橫向和0.01納米的縱向分辨率對靜止的原子進(jìn)行成像，卻無法對運(yùn)動中的電子進(jìn)行成像。光電子顯微鏡（PEEM）成像系統(tǒng)雖然可以測量運(yùn)動電子的位置，但是其最好的分辨率僅能達(dá)到約3納米，無法在0.1納米的尺度進(jìn)行位移測量。日前，該團(tuán)隊利用強(qiáng)場電離中的時間雙縫干涉圖樣，提出對電子在激光脈沖下的微小位移進(jìn)行了測量的新方案，該方案的分辨率可達(dá)0.01納米。為了測量電子在超短脈沖作用下的位移，他們把導(dǎo)致電子位移的超短脈沖置于兩束較長反向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光之間。兩束反旋向的圓偏振光先后分別電離電子，構(gòu)成時間上的電子波包雙縫干涉，這在電子動量譜中產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)。在沒有中間的超短脈沖時，該渦旋結(jié)構(gòu)角向是均勻分布的。當(dāng)中間加入了一束任意的被測超短脈沖，它將作用于前一圓偏光電離的電子使之產(chǎn)生微小位移，這個微小位移使得電子波包獲得一個額外相位，從而導(dǎo)致先后兩個電子波包的干涉結(jié)構(gòu)在角方向產(chǎn)生了非均勻性。他們提出通過測量這個非均勻的角向分布，可以準(zhǔn)確地提取出電子在超短脈沖作用下產(chǎn)生的亞納米量級的微小位移。他們的方案對激光的焦斑效應(yīng)以及兩束圓偏振光的相位抖動具有很好的抗干擾能力。左圖：新方案示意圖；右圖：測量方案給出的理論預(yù)測結(jié)果。 理論提出并在實驗上實現(xiàn)了對橢圓偏振強(qiáng)激光橢偏率的原位測量新方案。他們利用兩束其它參數(shù)相同而旋向相反的橢偏光來電離惰性氣體氙（Xe）原子，強(qiáng)場電離得到的電子閾上電離譜和單電離離子總產(chǎn)率譜敏感地依賴于兩束光脈沖之間的延時。這些能譜和產(chǎn)率隨延時的周期性調(diào)制，能夠準(zhǔn)確反映一個光學(xué)周期之中橢圓偏振光的電場強(qiáng)度的最小和最大值間的比值，因此可以用來準(zhǔn)確提取每一束橢偏光的橢偏率。研究表明，這一橢偏率測量方案在很大的激光參數(shù)范圍內(nèi)普遍適用，這一工作在準(zhǔn)確表征超快強(qiáng)激光場的性質(zhì)方面邁出了重要一步，將對強(qiáng)場物理研究中精細(xì)操控原子分子內(nèi)的超快過程起到重要推動作用。