“新天工開物”：無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡自主創新記

　　掃描探針顯微鏡(SPM)是奈米科學研究中不可或缺的高端儀器，過去我國高端的掃描探針顯微鏡系統長期依賴進口。

　　近日，在國家科技傳播中心舉行的“新天工開物——科技成就發佈會”科學儀器專場上，中國科學院物理研究所郇慶團隊發佈了無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡的創新成就。中國科學院物理研究所郇慶團隊歷經十餘年攻關，採用原創的遠端液化製冷技術研發出了無液氦亞3K低溫SPM系統，實現關鍵性能指標國際領先。

　　中國科學院院士、發展中國家科學院院士高鴻鈞評價稱：“這一突破顯著提升了我國在低溫掃描探針顯微鏡領域的技術水準，極大地縮短了與國際先進水準的差距，推動了我國高端科學儀器産業的創新發展，為更多關鍵設備的自主創新探索出了一條切實可行的路徑。”

　　液氦依賴：低溫科研儀器的“卡脖子”難題

　　低溫在凝聚態物理研究中扮演越來越重要的角色，是對多體系統中強相互作用的複雜行為開展深入研究的必要條件，隨著液氦資源的日趨緊張和無液氦製冷技術的不斷發展，基於無液氦製冷的設備將逐步成為低溫科研儀器的主流方向。隨著液氦資源日趨緊張，發展無液氦製冷技術勢在必行。而如低溫掃描探針顯微鏡這類對振動敏感高端科學儀器，實現無液氦化製冷仍然面臨著較大困難 。

　　掃描探針顯微鏡能夠在原子、分子尺度上進行精確成像、探測與操控，是推動奈米科技發展的關鍵設備之一，在物理、材料、化學、量子科技等領域有著重要應用。而要實現其高性能運作，往往需要低溫環境。傳統技術路線需要使用液氮或液氦這樣的製冷劑進行降溫特別是4K及以下的低溫，必須依賴價格昂貴的液氦，這不僅導致設備運作成本高昂，更使得科研活動受制于液氦供應的不穩定性。

　　傳統杜瓦型低溫SPM系統實驗前需要往杜瓦罐裏灌注液氦，等溫度穩定後再開始實驗。“除了實驗運作的成本問題，實驗過程中還需要經常中斷實驗反覆加注液氦。這使得實驗效率大大降低，有時甚至會導致實驗失敗。”郇慶説。

　　為了能擺脫這些問題，人們一直在探索不用消耗液氦還能長時間穩定維持低溫的無液氦製冷技術，並在磁共振成像、超導磁體、綜合物性測量系統等儀器上已經得到了應用。

　　然而，已有的無液氦製冷技術無法直接移植應用到SPM系統上來。這是因為SPM系統對震動的要求極其苛刻，為了實現原子級別的成像，需要把針尖處的震動水準控制在皮米量級，也就是千分之一奈米。而即便最安靜的製冷機本身機械震動的幅度要比這大百萬倍以上。此外，還要解決電磁干擾、製冷效率等等一系列技術難題。

　　2011年，郇慶結束美國博士後工作，回到中國科學院物理研究所任職。如何擺脫液氦依賴，自主研發出性能優異的無液氦低溫SPM系統， 成為他立志要實現的一項重要目標。

　　遠端液化製冷：另辟蹊徑的技術破壁之路

　　實際上，國際學術界和産業界從未停止過SPM系統無液氦化探索。然而，此前的研究者大多采用“近端製冷方案”——即把製冷機裝在SPM掃描探頭附近，類似于“把掃描探頭放進冰箱裏”。

　　“這種方案的確看起來製冷效率是最高的，但經過多級減震實際達到的最低溫度只能到6 K。”郇慶介紹，“而且和冰箱一樣，會有結霜、震動噪音大的問題，所以基於這種方案的SPM系統，性能很難趕上傳統杜瓦型SPM系統。”

　　面對這一看似無解的技術難題，郇慶團隊提出了一條全新的技術路徑：“分離式”遠端製冷方案。

　　“我們另辟蹊徑地提出了‘分離式’遠端製冷方案。即將産生低頻大幅震動的製冷機，安裝在遠端獨立製冷腔裏。就像空調一樣，室內機和室外機分離，室內幾乎聽不到噪音。”郇慶形象地比喻道。

　　這一技術路線的核心創新在於，團隊將製冷機安裝在遠端，使少量氦氣作為迴圈使用的製冷劑，通過壓縮機將氦氣冷卻、液化，然後對儀器進行降溫。

　　然而，從理論到實踐的路徑充滿荊棘。團隊面臨的最大技術難點是如何實現高效冷卻——“一旦把製冷機放到遠端，一個很大的問題就是製冷效率的降低。”經過五、六年的艱苦攻關，團隊最終突破了技術瓶頸。他們利用氦的超流現象等諸多手段，成功將震動控制在極低水準，並實現了3K以下的低溫環境。

　　“經過多年的努力，我們終於做出了大家現在看到的這款‘中國方案’的無液氦SPM系統，實現了只用少量氦氣，就能長時間穩定維持3K以下的低溫環境。”郇慶自豪地説。

　　高鴻鈞院士表示，無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡“在非接觸原子力顯微鏡原子級分辨成像、掃描隧道譜以及非彈性電子隧道譜的性能方面，達到了與傳統液氦杜瓦的濕式SPM系統相媲美的水準，主要性能指標均優於國內外同類型設備，實現國際領先。”

　　從實驗室到市場：高端國産儀器的産業化突圍

　　技術突破只是第一步，從實驗室的原理樣機到設備的産業化，郇慶團隊面臨著一個新的挑戰——如何獲得市場信任。

　　“第二個障礙就是産品的推廣，”郇慶直言不諱，“因為我們都知道，國外的一些廠家，起步比我們早，市場佔有量相對比較大，應用案例也更豐富一些，因而普遍都會認為國外的儀器設備更可靠、更權威一些。我們國産高端儀器，大家往往是不太信任的。”

　　這種不信任感源於長期以來國産高端儀器與國際領先水準的差距。要衝破這一障礙，郇慶認為需要雙管齊下。一方面，要從自身産品入手，把産品做好，性能穩定可靠；另一方面，也需要依靠國家對高端儀器的政策扶持，以及有科研人員願意去嘗試，當“第一個吃螃蟹的人”。

　　值得慶倖的是，團隊的努力已經獲得了國內科研界的認可。北京大學、中國科學技術大學、上海交通大學等頂尖科研機構採購並使用了該設備，一批高品質研究成果也相繼産出。北京大學研究團隊在《自然》(Nature)雜誌發表的重要成果，上海交通大學研究團隊在《物理評論快報》(Physical Review Letters ,PRL)上發表的重要成果，都有該設備的身影。

　　“只要讓大家看到我們國産高端科學儀器的使用效果，看到我們産品性能確實是穩定可靠，口碑就能一點一點的建立起來，進而逐步的打開市場。”郇慶對國産儀器的市場前景充滿信心。在他看來，國産科學儀器的發展歷程，與國産手機、國産新能源汽車行業的發展過程類似，如今正處在發展拐點上。

　　面對未來，團隊並沒有停下前進的腳步。他們正朝著更低溫度、更多功能擴展的方向努力，研發最低溫度可達1.8K甚至mK溫區(1K以下)，相容如磁場、TERS、ESR等更多功能的SPM設備。

　　從依賴進口到自主創新，從開拓市場到用戶認可，無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡的研發歷程，是中國高端科學儀器自主創新的一個縮影。這條路徑充滿了挑戰，但也孕育著希望——正如郇慶所言：“只要我們科研人員、行業從業者能正視差距，踏踏實實地前行，敢於在市場上與國際公司直面競爭，就一定能實現我國科學儀器領域的自主可控！”