科研仪器不仅是科学研究的基础工具，也是推动科技进步的关键因素之一。
多年来，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）研究员郇庆致力于高端科研仪器的研发，为此倾注了大量的心血和智慧。通过不懈的努力和持续的创新，郇庆开发出包括各类控制器、精密放大器、束源炉、低温恒温器等在内的一批核心关键部件，并完成了扫描探针显微镜、分子束外延、激光分子束外延、原子层沉积等成套系统的研制。如今，这些设备已应用于科研，为相关领域的研究提供了强有力的工具支持，加快了科学探索的进程。2021年，郇庆获得国家杰出青年科学基金项目（以下简称杰青项目）支持。
近日，《中国科学报》获悉，郇庆带领团队开发的基于无氦气制冷技术的极低温扫描探针显微镜系统，已经将制冷温度降至0.4开尔文（K），有望为我国在超导材料、量子计算等领域的科学探索提供有力保障。“期待在杰青项目支持下，我们团队能打破学科壁垒为科学家打造出‘利器’，为实现高水平科技自立自强作出自己的贡献！”郇庆说。
瞄准高端科研仪器
在博士研究生阶段，郇庆就种下了研制高端科研仪器的理想的种子。那是在2005年前后，美国加利福尼亚大学尔湾分校教授何文程（Wilson Ho）来到物理所作报告。报告中，何文程不仅介绍了他的课题组开展工作的情况，还特别提到组内的主要仪器设备全部是自主研制，每台仪器都有不同特色，或增加磁场或耦合激光，完全根据实验需求设计。何文程课题组的规模虽然不大，但在领域内频出顶级工作成果。郇庆认为，这些顶级工作成果的产出正是得益于根据实验目的和需求自行设计并改进的仪器设备。
正好那时郇庆所在的实验室刚刚购买了一台进口的先进设备——超高真空四探针扫描隧道显微镜。开箱时，他和在场的其他学生一样，被设备的复杂性和精密性深深震撼。虽然很想学习，但来自生产厂家的外国工程师忙着安装调试，顾不上给他们讲解。“一方面看到这台设备与之前的设备相比差距很大，我们被设备的复杂、精密所震惊，生怕弄坏而不敢动任何部分；另一方面也在想，为什么我们中国生产不出这么复杂的设备？”郇庆回忆。
在这两件事的反差中，郇庆真切感受到，物理是一门以实验为基础的科学，科研成果在水平上的差距，很大程度上源于仪器设备的差距。于是，在物理所导师的支持下，郇庆前往加利福尼亚大学尔湾分校何文程课题组学习，瞄准高端科研仪器方向，完成了博士及博士后阶段的学习和工作。
冷门赛道艰难前行
2011年，郇庆完成博士后阶段工作回到物理所工作。彼时，郇庆了解到，随着国家实力增强，中国科学家开始有了更多资金购买国际上最先进的设备，加之中国科技工作者更加勤奋努力，科研成果数量迅速提升。但是，我国科学研究更多处于“跟随”状态，引领性的原创想法和成果十分有限。郇庆判断，如果仪器装备自主研制的水平不提高，必将成为制约中国科研水平进一步提升的瓶颈。这更加坚定了他要开发出拥有中国人自己知识产权的高端科研仪器的理想信念。“就发表文章数量来讲，我们国家的确是突飞猛进。”郇庆告诉《中国科学报》，“很多原创性想法，全世界聪明的科学家能想得到，但不是每个想到的人都有能力证实。”在他看来，谁能掌握独特的科学仪器和实验方法证实想法，才能取得真正的领先地位。而在这点上，依靠谁都能买到的现成商业化成熟仪器往往很难实现，自行研制高端科研仪器才是“独门绝技”。
当然，郇庆也清楚，相比买现成仪器就能发文章的常规科研方式，他所选的是一条冷门且艰难的赛道。“国外的仪器公司已经发展了几十年甚至上百年时间，它们积累了丰富的经验和专业知识。我们中国科学家自制一台仪器，短期内想要全面超越这些公司几乎不可能。”郇庆介绍，研制一台仪器的成本往往高于购买一台同类商业化仪器，除了购买材料的费用，还需要支付更长研发周期内参与研发的学生和工程师们的人工成本，更要考虑反复试错所必须的重新设计和加工费用。因此，面对研发周期长、失败风险高的困难，过去很长一段时间，评价体制都给郇庆带来了极大的压力。他甚至面临“生死”问题：“哪家研究所或高校可以容忍一个国外回来的年轻人3至5年不出成果？”所幸，在物理所的包容和支持下，郇庆咬着牙坚持下来。没有学生，就通过与其他课题组合作“借用”；没有工程师，就“忽悠”多年的好哥们儿从知名大厂跳槽一起合作；没有经费，就越挫越勇地申请……
转机在2014年到来。那一年，郇庆与物理所超导实验室金魁和袁洁团队合作，一起获得了中国科学院仪器研制项目“高通量连续组分外延薄膜制备及原位局域电子态表征系统”的资助。“经费不够，几个刚回国的年轻人把全部启动经费都凑到一起，终于把这台仪器做了出来，有点破釜沉舟的感觉。”郇庆回忆说。该系统不仅是国际上首台兼具高通量制备薄膜生长和原位精准表征的尖端仪器，采用了团队首创的新一代高通量连续组分薄膜制备技术，同时也是材料基因组研究平台的重要技术工作基础。这一项目的成功不仅让郇庆在未来的一段时间里可以甩开膀子干事儿、不用再为生存发愁，也让郇庆向同行证明了中国科学家完全有能力研制高端科研仪器。郇庆带领团队总算蹚出了一条路。他们从共性技术和核心关键部件着手，先后主持或核心参与研制搭建了各类真空系统十余台套，包括“新型光学-扫描探针显微镜及分子束外延联合系统”“超高真空变温扫描隧道显微镜系统”等。
杰青项目垂青
“很长一段时间里，我都没想过申报杰青项目。”在郇庆心里，杰青项目专门资助基础研究领域的高层次人才，他认为自己的工作似乎与杰青项目的那个“框”还有差距。多年来，郇庆除了申报国家自然科学基金青年科学基金项目之外，从未申报过国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）的面上项目，由于经费申报主攻仪器类，也没有发表过所谓“顶刊”论文。“迄今为止，我只发表了30多篇文章，虽然其中有多篇仪器类顶级刊物的代表作，但该刊物的影响因子只有一点几。”他说。
2020年11月，在强化我国学科交叉以及寻求新科研范式变革的科技发展新态势下，自然科学基金委成立交叉科学部。为了给基础科学研究提供重要工具，交叉科学部大力鼓励科学家进行高端科研仪器、科学软件等科学工具的创制，以打破国内高端科研仪器和关键科学软件长期依赖进口的现状。
对此，郇庆有一种找到“家”的感觉。自己的工作有着浓浓的“交叉”味儿，设计一台仪器不仅需要理解其物理原理，还要涉及机械设计、化学过程、材料科学等方面。例如，包含化学气相沉积（CVD）的仪器需要深入理解化学反应；选择仪器所用的材料时则必须考虑其硬度、弹性、热膨胀系数和热导率等物理特性，离不开材料科学；设计完成后还需要通过软件和硬件来控制仪器运行，控制针尖扫描和生长过程则要用到电子学和软件工程。于是，他以《材料制备与物性表征科研仪器设备的自主研制与研究应用》为题，提交了杰青项目申请书，并于2021年成为自然科学基金委交叉科学部首批获杰青项目资助的学者之一。
稳步推进取得进展
申请过程中，郇庆体会到，杰青项目申报书填写的内容与此前仪器类项目有所不同。“仪器项目的申请书主要围绕做什么仪器、科学目标和意义以及最终技术指标等核心内容展开，但杰青项目作为一类人才项目，主要是介绍过去工作基础以及未来工作计划，而不仅仅呈现研发设备的先进程度。”他介绍道。项目执行3年来，郇庆一步一个脚印，稳步推进工作，目前已经取得进展。他们研制了基于无氦气制冷技术的极低温扫描探针显微镜系统。据介绍，这套系统的技术路线由郇庆课题组原创，与现有的所有商业化产品及国内外团队的技术方案都不同，各项指标均达到了先进水平。
目前，国际上美国和德国的公司生产的成熟产品制冷温度为9K、日本公司的产品为5K。而郇庆团队研发的新系统实现了3K以下的制冷温度。目前，在实验室中这一温度已降至0.4K。同时，国外产品存在的振动问题直接影响扫描隧道显微镜的分辨率。对此，他们采取将制冷机远离显微镜和超流氦的策略，有效解决了振动问题；同时结合连续流冷却方式，通过柔性输液杆实现了“远程冷却”，显著提高了冷却效果并降低了噪声。
“我们正在进一步优化技术，朝着更低的温度进军。”郇庆表示。在杰青项目进行中，郇庆对未来充满了希望：“我们期待能够补全或超越国外已有的高端仪器和技术。例如，扫描隧道显微镜领域中的低温技术、功能化技术等。”同时，郇庆计划与不同领域的科学家开展合作，利用他们在真空、高压、低温制冷等领域的经验，将一系列共性技术拓展到其他科学仪器上。更长远的计划则是探索将这些技术和经验应用于科研领域之外，满足对可靠性和成本效益更严格的要求，解决国家重大需求层面的问题。
原文链接：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/11/382142.shtm
