聚焦极端环境 洞悉材料特性

李刚

微观世界隐藏着另一个宇宙，令人神往。

光学显微镜可以观察到肉眼看不到的生物细胞。电子显微镜的发明，让人们进一步看到了细胞内部的结构。伴随着科学技术的进步，第一台扫描隧道显微镜（STM）问世，标志着人类进入了可以在真实空间中直接观测原子和操纵原子的时代，从此打开了另一扇科学研究之门。

几十年间，科学家们不断地在这个领域开拓进取，为扫描隧道显微镜成熟化、多样化、分工化、专业化的发展添砖加瓦。时至今日，人们可以凭借扫描探针显微技术，对凝聚态物理学、物理电子学、生物学、电化学乃至航空学等多种学科中的微观世界进行观测、检测和操控。

各种极端条件扫描探针显微镜研制一直都是科学家们研究的重点。在极端条件如超高真空、低温和强磁场等环境下，很多材料表现出了一些非常奇异的物理性质，如超导、量子霍尔效应和量子相变等。因此，搭建一台能够在极端条件下工作的扫描探针显微镜成为世界上很多科研人的目标。因为在强磁场下有太多新奇的物理现象可以用扫描探针显微镜来表征，多年来中国科学技术大学教授、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心研究员陆轻铀就一直在这一方向上攻关不辍，并与团队成员们做出了许多世界领先的科研成果。

科研传承：走进物理世界

物理之美在于其普适万物。作为一门以科学实验为基础的学科，它通过不同的物理现象，总结实验规律、发现科学奥秘，诞生了一系列具有普世意义的科学研究成果。

生活在科学世家的陆轻铀，父亲和母亲从高校毕业后，都选择踏入科学研究领域，几十年来，一直在物理、化学等研究领域中深耕不辍。在家里浓厚的科研氛围熏陶下，陆轻铀和妹妹陆轻铱也双双踏上了科研之路，在力求做出更多科研成果的道路上脚踏实地前行着。

陆轻铀长期在国外求学，西方教育对他的科研思想产生了深刻影响。从本科到博士，他一直就读于美国得克萨斯大学奥斯汀分校，并分别于1994年、2000年获得物理学学士学位及凝聚态物理博士学位。在陆轻铀的介绍下，记者了解到：美国更注重多学科的学习及研究视野的扩展，在这里，他培养了自己自主搭建实验设备的能力，建立了更为宽广的科研视野，打下了扎实的科研根基，使他的科研能力得到了极大的提升。在美国得克萨斯大学奥斯汀分校就读期间，他还用磁力显微镜（MFM）拍到首个磁畴相竞争电影，在相关研究领域取得了一系列有意义的科研进展。

一直以来，美国的科技公司在世界上处于领先地位，技术管理等方面十分先进。在还是一名学生的时候，陆轻铀就对自己的人生做出了规划：他希望在获得博士学位之后能前往美国的科技公司工作5年时间，了解一下美国的高科技公司是怎样运作管理的，技术是怎样发展起来的，怎样将其进行产业化，进而提高产品的经济效益，之后再回国从事科研与成果转化工作。

2000年，陆轻铀开始在美国Cypress半导体公司任技术主管，是公司仅有的两个持O-1杰出人才签证的人之一。在公司“work hard and play hard”（拼命工作，拼命娱乐）的科研宗旨影响下，陆轻铀和研究团队成员们在工作中从未有过一刻松懈。在他看来，特别是对于顶尖科研技术的开发及科研产品的研制，毫秒间，世界上就会诞生很多领先于自己的科学研究成果。因此，从事科学研究要有一种忧患意识和时刻努力、不断创新的自觉。在美国Cypress半导体公司工作期间，陆轻铀主要从事超大规模集成电路工艺的研制，并于2004年成为当时最先进的90纳米项目负责人。在他的领导下，研究团队通过不断攻关，研制成功了国际首个72兆比特QDR-SRAM芯片产品，在领域内引起了很大的反响。

回国扎根：开展科研探索

科研立足国之所需，是陆轻铀一直以来的研究初衷。“早在國外读书的时候，我就决定了一定要回国，这点是毫无疑问的。”陆轻铀说。在他的眼中，将科学研究的果实播种在祖国的大地上，才是最有意义的。

结束了国外多年的科学研究旅程，陆轻铀拒绝了公司以丰厚的报酬向他发出的更高职位邀请，毅然决然回国，于2005年来到中国科技大学微尺度国家研究中心担任教授。来到这一平台之后，他结合之前的研究基础，将研究集中在各种极端条件（氦3与稀释制冷机极低温）、恶劣条件（水冷磁体与混合磁体超强磁场）扫描隧道显微镜、磁力显微镜、原子力显微镜（AFM）的自主研制上，并应用于凝聚态物理、纳米材料以及活性溶液中的生物分子与化学过程等多学科成像研究，做出了一系列创新性科研成果。

追根溯源，事实上，早在20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G· Binning和H·Rohrer就发明了扫描隧道显微镜（STM），它的分辨率达到0.1纳米。STM的诞生，使人类第一次在真实空间中观测到了单个原子，并能够在超高真空超低温的条件下操纵原子。在扫描隧道显微镜基础上，研究人员又发展出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。因为它们都是靠一根极尖锐针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同作用量，以此得到样品表面的高空间分辨的形貌图像和有关的电、光与化学特性。如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜测试的是原子间相互作用力等。

“但它们都有短板：特别怕振，我们希望能够做出一个性能更好的显微镜，力争在各种恶劣条件下依然能够得到原子级灵敏、精准的测量。”陆轻铀说。极低温、极高磁场中存在各种各样的氦循环或水循环，因此就导致了它的整个环境振动十分严重，但扫描隧道显微镜对振动和声音等哪怕很微弱的干扰都很敏感，所以对隔音、减振装置提出了很高的要求，以保证“准静态”的成像环境。“在这种情况下，就要想尽办法让我们研制的显微镜能够更加抗振，即使在极度恶劣的条件下依然能够观测到高清原子分辨率图像，这样才能够形成我们特有的技术优势。”他说。

在陆轻铀的介绍下，记者了解到：马达是显微镜的核心部件之一，要想将探针送至探针原子与样品原子之间发生电子云交叠的地方，但针与样品的原子核之间还不能相互触碰（否则针尖原子与样品原子皆损毁），马达就起到了十分关键的作用。在此之前，他们曾研制了“蜘蛛马达”“壁虎马达”“金枪鱼马达”等多种新原理的压电马达，每种都有自己的独特抗振优势。在不断的研究开拓下，如今的这些压电马达不仅形体很小，且推力大，紧凑性很强，抗振效果极佳。这些都为抗振显微镜的研制提供了优越的条件。

通常，科学家如果想要得到很强的磁场环境，会选择将超导材料做成线圈，然后浸泡在液氦里，材料就会处于零电阻的超导态。在这一状态下，其就会通过大电流产生强磁场且不会发热，但这种超导体磁场存在一个重要弊端，即磁场不够强，一般到20特斯拉或稍高一点就会失超，不能再增加。

在这种情况下，科学家一般会选择将铜这类材料做成刚性很强的线圈，从而得到30特斯拉以上的超强磁场，但是这种铜制线圈需要通以特别大的电流才能产生超强磁场。这种线圈不像超导材料是零电阻，它会产生巨大热量，因此要使用很强的高压水流对其进行冷却，而这又会带来巨大的振动，在这种恶劣条件下，全世界没有人能将任何具有原子分辨率的显微镜放进去进行观测。

陆轻铀团队长期以来一直致力于强振动、气-液反应环境等恶劣条件原子分辨率成像，并最终实现了“水冷强磁体超恶劣条件”和“反应溶液恶劣条件”中的高清晰原子分辨率成像。通过多年的攻关，他们已经自主研制成功国际首个水冷磁体超强磁场原子分辨STM，并在创纪录的27T超强磁场下得到原子分辨图像。在此基础上，他们还自主研制成功了国际首个混合磁体超强磁场原子分辨STM，并在创纪录的30T以上超强磁场下得到原子分辨图像。相关研究处于世界领先地位。

除此之外，陆轻铀团队还将原子分辨率STM放在一些具有活性或者化学反应的溶液中，去观察在这种状态下的原子分辨率图像，并突破了之前的研究瓶颈，得到了清晰且稳定的原子分辨率图像，并发表了相关文章。

在商业上，现有的低温强磁场扫描隧道显微镜设备多是基于振动和声音干扰都很弱的湿式（液氦浸泡式）超导磁体来搭建的，其弊端也逐渐显现：设备高度依赖液氦的供给，而液氦的供应日趋紧张，运行费用不断增加，甚至远超磁体本身的费用;此外，重要样品的扫描隧道显微镜谱图往往需要数天乃至数周的连续稳定测量，而湿式超导体通常很难一次性维持如此之久。目前的趋势是由依赖液氦降温的湿式超导磁体逐渐转向利用氦循环制冷机（无需补充液氦或氦气的封闭系统）降温的干式超导磁体，并且已经在很多测试手段（输运测试、核磁共振、样品生长等）中取得应用，但在扫描隧道显微镜应用领域还属空白，其主要是因为干式超导磁体工作时会产生超强振动和声学噪声。

在这一背景下，陆轻铀课题组通过不断攻关，又研制成功了国际首个适用于干式超导磁体的插杆式原子分辨扫描隧道显微镜。相关研究成果发表在显微镜领域顶级期刊Ultramicroscopy上。在此之后，他们通过建立“合肥中科微力科技有限公司（www.CASmF.com）”这一平台，与英国著名的牛津仪器公司签署了长期协议，努力推进市场化进程。目前，已经有多套产品通过了客户的验收，且运营效果良好。

陆轻铀团队的科研探索之路从未止歇。2017年，陆轻铀开始担任国家重点研发计划“基于加速器光源的高通量物性与结构原位表征”首席科学家。在这一项目中，他们将扫描探针显微技术与同步辐射加速器先进光源以及强磁场结合起来，将光学显微镜的分辨率从微米级提高到纳米级，并使其能够在低温强磁场环境下对材料进行调控与磁畴结构观测。目前这类研究在世界上还未有先例，成果诞生之后，或将创造出世界领先的科研成果。現如今，这一项目正在稳步进行中。

展望未来：创新笃行不辍

创新是科学家的使命。在陆轻铀看来，创新是一种习惯，任何事情都要想着自己独立去做，而不是去买，将此作为自己的研究潜意识，不断提升自己的研究方法与水平，通过不断创新探索，就会有更多自主创新的科研成果产生。

一直以来，陆轻铀团队一直在做国际领先的仪器。在他看来，商业仪器是批量生产的，创造性的科研想法很难融入其中，也不能确保每个元器件的精良。但是自己研发的设备，每一个元件都可以进行精挑细选，一些巧妙的想法都可以及时在其中得到实现。

在科研创新的道路上笃行多年来，陆轻铀获授权30余项国家发明专利;以第一或通讯作者发表论文于Science、Nature Materials、Nature Communications、 Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、eLife等高影响刊物。在优异的科研成果基础上，陆轻铀还于2005年入选教育部新世纪优秀人才，2010年入选中国科学院关键技术人才，2015年入选南京321领军科技创业人才;2018年起任美国著名科学仪器期刊Review of Scientific Instruments副主编;2017年荣获中国科学院杰出科技成就奖，2019年荣获安徽省科学技术奖特等奖（首届），2020年荣获安徽省政府津贴等。这一切都是对他多年来创新笃行的肯定与鼓舞。

育人为学，兢兢业业。作为新时期科研学子的领路人，陆轻铀也希望自己的学生们能够在科研兴趣的驱使下，在研究领域不断深入下去。他相信，只要新一代的科研学子们能够将科研技术打磨得更加扎实，在任何领域都会发光发热。

踏实科研，无问西东。对于未来的科学发展规划，陆轻铀还将一边从事在极端条件下工作的扫描探针显微镜的研发工作，一边寻求更多的高校与企业间的产学研合作，以此来发现一些更先进的仪器原理。面对未来科研领域的更多可能，他坚信在各种极端条件下扫描探针显微镜的研发中，他与研究团队一定会做出更多领先世界的科研成果，在这一领域踏出属于中国科研人掷地有声的脚步。