新華社北京12月30日電 題：物理學家：這一年，我們破解了晶體生長的“魔法”

  作為一個研究凝聚態物理的科學家，這一年，最艱難的時刻莫過於要推翻全世界沿用的傳統理論，承認舊路走不通，在迷霧中尋找新方向。

  那最幸福的時刻，莫過於當我們第一次在顯微鏡下觀測到，用新方法製備出來的晶體排列得整整齊齊時，那種震撼無法言喻。

  2025年，我們將自主首創的晶體製備方法應用到光學晶體生長領域。通俗地説，就是用一種類似“頂竹筍”“擰魔方”的方法，讓光學晶體生長，得到了一種“超薄轉角光學晶體”。

  這是製備的氮化硼光學晶體照片，照片中間長方形的樣品區域是氮化硼材料。新華社發（作者供圖）

  這些名詞是不是聽起來一頭霧水？這就是我寫這篇科普文章的目的，就是告訴大家：基礎科學研究很有趣，它就在我們身邊。

  比如，什麼是凝聚態物理？這個詞兒聽起來很高深，其實它就是研究微觀粒子如何“排隊”的學問，就像水分子“聽指揮”整齊排列就能結成冰一樣。

  什麼叫晶體？它是計算機、通信、航空、激光技術等領域的關鍵材料。過去幾十年，國際上通用的造晶體方法，就像是“蓋房子”——這相當於先鋪好地基（晶種），然後把原子一塊塊搬運過來，在表面一層層壘上去。

  這種方法有個致命弱點：樓層一旦蓋高了，稍微有一塊磚沒對齊，後面就會跟着歪，甚至導致整棟樓“塌方”。

  因此，對於我們需要的原子級平整的晶體來説，這种老辦法造出來的材料，雜質及缺陷多、面積小，影響晶體的純度質量，根本沒法用。原子的種類、排布方式等需嚴格篩選才能堆積結合，符合製備條件。但當時國際上的主流仍在採取老辦法長晶體，面對這一難題，缺乏有效的解決方案。

  那時候我們就在想，既然堆砌行不通，能不能換個思路？

  靈感往往來自於對自然的觀察。我們想到了雨後的竹筍。竹筍的生長不是靠誰在它頭頂堆砌長高的，它是靠根部的力量，把身體一節一節從土裏“頂”出來的。

  於是，我們大膽提出了一種全新的“晶格傳質-界面生長”範式。通俗地説，我們不再在表面壘磚，而是設計好環境，讓晶體材料直接從根基處被源源不斷地“頂”出來，就好像“頂竹筍”一般生長。

  實驗結果出來的那一刻，連我們自己都驚到了：用這種“頂竹筍”的方法，晶體生長速度快得驚人，每分鐘最快能長出50層原子，而且能長到超過10萬層那麼厚！最關鍵的是，每一層原子都排得整整齊齊，就像列隊的士兵一樣標準，這有效避免了缺陷積累，提高了結構可控性。

  這樣長出來的晶體，又厚又完美，很多人説，這種新的晶體製備方法就像“魔法”。

  但在應用的過程中，我們又遇到了新的挑戰。

  我們發現，激光穿過這些完美的氮化硼晶體時，響應光波並未按照理想的方式完美疊加，而是出現了“嚴重內耗”的情況。物理學上稱為“相位失配”。

  這是因為：光波在每一層材料中傳輸時的相位不一致，多層材料疊加後，光波的總體電場互相抵消，白白浪費了我們生長出的完美厚層晶體——這就像龍舟比賽，如果隊員不按照鼓點同時發力，而是各自按自己的節奏發力，即使隊伍都是大力士，龍舟也無法飛馳。

  如何才能讓各層晶體“一同發力”呢？這一次，我們借鑒了“魔方”的智慧。

  我們不再簡單地把晶體一層層摞起來，而是像擰魔方一樣，把它們按照特定的角度旋轉之後再拼接。通過這一“擰”，原先“各自為戰”的每一層晶體現在能“齊心協力”，最終釋放出極強的激光。

  這就是我們提出的“轉角光學晶體”理論。我們把這種晶體稱之為“超薄轉角光學晶體”。它是“頂竹筍”和“擰魔方”兩種奇思妙想的結合。

  這是自主搭建的高精度半自動原位轉角疊層光學晶體轉移&，可進行光學晶體高精度轉角堆疊並實時監控激光輸出效率，最終實現高效轉角光學晶體構建。新華社發（作者供圖）

  這一成果發表於《科學》雜誌，經新華社報道後，得到了社會廣泛關注，後來入選2025中關村論壇年會面向世界科技前沿重大成果。

  這個“長材料”的新方法，有什麼用？

  一言概括：如果我們做出了中國自己的、性能優越的光學晶體，就有望提升芯片的集成度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。

  利用此新方法，團隊現已製備出石墨、氮化硼、硫化鉬、硒化鉬等9種高質量的二維晶體。在將來，我們把這些二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時，可顯著提高芯片集成度。可以預計的是，在指甲蓋大小的芯片上，晶體管密度可得到大幅提升，從而實現更強大的計算能力。此外，這類晶體還可用於光學電光調控，有望推動超薄光學芯片的應用。

  今年，圍繞光學晶體，國際和國內相繼取得重要突破：新加坡南洋理工大學利用二維晶體實現了量子糾纏光源；美國哥倫比亞大學利用堆垛二維晶體實現了可見光高效輸出；山東大學、南京大學團隊構建了激光晶體的強耦合系統並實現了超寬帶倍頻激光輸出……未來，光學材料和技術將往更短波長、更高效率、更高集成化發展。

  新的一年即將來臨，我們計劃向更短的波長邁進。比深紫外更短的波段被稱為極紫外波段，是波長介於124納米至10納米的高能電磁輻射，主要應用於光刻技術和物質結構探測等領域，是一個非常極端的物理條件。固態極紫外光源目前是一個幾乎空白的領域，國際上僅有的前沿技術面臨着效率不夠、功率不足等諸多問題。

  我們希望，有一天能基於這一套思路研製出體積小、穩定性強、用途廣泛的高性能固態極紫外光源，推動極紫外光刻芯片、阿秒科學等前沿科技領域發展，為人類探索“極端條件下的物理”提供新的動力。

  面對熱愛科學的青少年，我會對他們説：物理學不是枯燥的公式，它是上帝寫給這個世界的“源代碼”。如果你喜歡搭積木，那你就有成為凝聚態物理學家的潛質。

  通俗地説，凝聚態物理就是探究物質微觀結構的“建築學”，也是創造未來科技的“魔法書”。

  所以，我非常鼓勵大家投身基礎研究。雖然這條路有時候很寂寞，甚至會走進死胡同。但當你通過自己的努力，發現了一個新的物理規律，或者造出了一塊世界上還沒出現過的材料時，那種“我就站在人類知識邊界上”的成就感，是任何東西都無法替代的。

  未來屬於敢於“頂竹筍”和“擰魔方”的你們！（作者係北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所所長劉開輝）