紫外原子光源

一个人如果对一个方向没有兴趣，就很难真正在科学研究上有很好的发展，兴趣是从事科学研究工作的内在推动力。杨学明中国科学院院士、南方科技大学理学院院长“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”（以下简称大连相干光源）项目近期传来好消息——分子反应动力学国家重点实验室、大连光源科学研究室研究员江凌和中国科学院院士杨学明团队与清华大学教授李隽研究组合作，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，在类冰中性水团簇七聚体中发现了多个棱柱状和笼状结构，为揭开液态水至微冰的氢键网络演化机制提供了新的思路。对领导该装置研发建设的杨学明来说，团队成员的重要发现值得庆贺，大连相干光源持续产出重量级成果更令人兴奋。作为分子反应动力学国家重点实验室主任，杨学明几十年来遨游于钟爱的学术世界，在国际分子反应动力学领域取得系列重大成果，提升了我国在该领域的国际地位。更让杨学明感到自豪的是，他推动和主导了诸多原创科研仪器的设计研发工作，极大地提升了我国科研仪器的水平。“我是个很幸运的人，一辈子都在做自己特别喜欢的事，而且这些事多少为国家作了些贡献。”杨学明感慨道。从零开始，回国入职大连化物所杨学明学术生涯的转折点出现在2001年。此前，在美国加州大学圣巴巴拉分校获得博士学位后，杨学明在美国普林斯顿大学和加州大学伯克利分校从事了几年博士后工作，而后应诺贝尔化学奖获得者李远哲的邀请，赴台湾原子与分子科学研究所工作，从副研究员干到终身研究员，一待就是6年。2001年，杨学明到中国科学院大连化学物理研究所（以下简称中科院大连化物所）访问。回到攻读硕士学位的母校，杨学明感慨万千，他那颗想要回国干一番事业的心更加炽热。彼时，因出色的学术成绩，杨学明已蜚声业内。正在外地出差的、时任中科院大连化物所所长包信和得知他造访的消息，第一时间拨通了他的电话，询问他是否有兴趣到所里工作。杨学明欣然接受了邀请。而这一声应允，意味着一切要从头开始。原本蒸蒸日上的科研事业要中断，辛苦研制的科学仪器无法搬迁随行，还要从零开始组建科研团队… … 杨学明深知，已过不惑之年的他将要面临怎样的艰辛。但他依然很坚定。回国后，杨学明担任了中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室主任。中科院大连化物所为其开辟了“绿色通道”，拨给杨学明1000万元启动经费，并尽可能地为其提供自由而优越的科研环境。入职后，杨学明的第一项工作是研究氟加氢反应共振态。“氟氢体系是化学激光领域最重要的研究内容之一。”杨学明说，幸运的是，他很快在这一领域取得了一系列重要成果。由杨学明领导完成的研究工作，连续两年入选“中国十大科技进展”。短短几年，他所带领的团队就成为化学反应“共振态”领域国际知名的研究团队，而分子反应动力学国家重点实验室也成了国际上在这一领域具有重要影响力的研究基地。回首过往，杨学明动情地说：“没有什么比自己的成果给国家科研带来价值更重要。”站位高远，领导研发高端科研仪器除了产出系列重磅成果，让杨学明更骄傲的，是一件件自主设计研发的科研仪器。这些仪器是杨学明驰骋学术战场最有力的“武器”，是他与钟爱的化学世界对话的工具。过去20多年，正是利用自行研制和原创的国际领先的科学仪器，杨学明在化学反应动力学研究方面取得了备受瞩目的研究成果。“我的工作就是用实验物理的方法来研究化学反应，而研究工作的水平取决于实验思路的设计及特殊仪器设备的研制。”杨学明说，“在当代绝大多数科学领域中，先进科学仪器都发挥着非常重要的作用，科学仪器也是国家科技硬实力水平的重要体现。”杨学明领导研发的总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项——大连相干光源已于2018年通过验收。这是我国第一台大型自由电子激光用户装置，也是全球唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置，是世界上最亮的极紫外光源。极紫外光源是对分子进行激发和软电离最有效的光源，有助于科学家在原子分子水平上开展一系列重大科学问题研究。研制一个高亮度极紫外自由电子激光光源，是杨学明在加州大学伯克利分校做博士后研究时就有的一个梦想。“这也是我回中科院大连化物所最想做的事情之一。幸运的是，我得到了自然科学基金委的大力支持。这个梦想终于得以实现。”杨学明说，自然科学基金委在当年资助了体量相对较大的科研仪器设备研发，体现了其魄力和远见。利用这一先进光源，在已开展的实验研究中，科研人员取得了一系列重要研究成果。目前，杨学明正在积极推动我国新一代高重频自由电子激光装置的发展，努力推进深圳规划中能X射线自由电子激光和大连极紫外自由电子激光项目的建设，为科研工作者提供世界上最先进的极紫外和软X射线光源。和当年建设大连相干光源一样，杨学明深知，高重频X射线自由电子激光装置的建设也是一件非常难的事。“但是，我们就是想要做一些别人没做过的事情。”杨学明说。“过去几十年里，我们国家在很多技术领域取得了很大进步，但科研仪器研发的底子还是相对薄弱。科研领域许多方面受制于人，就是因为我们在高端科研仪器研发方面的实力不够。”作为全国人大代表，杨学明在不同场合为发展高端科研仪器鼓与呼。遵从兴趣，投身化学研究领域杨学明的研究内容是原子、分子级别的化学反应过程。原子、分子… … 这个微小却变幻无穷的世界让他着迷。和很多知名科学家从小就因各种机缘对科学产生浓厚兴趣不同，杨学明坦言，他直到进入大学后，才对科学有了初步的认识。“我上初中时虽然对化学很感兴趣，但那主要是因为遇到了一个好老师，与学科本身关系不大。”杨学明笑称。虽然大学学的是物理专业，但中学时对化学的浓厚兴趣，最终还是将杨学明带到化学的世界。“考研时，我极其坚定地选择了化学方向。”杨学明说，“一个人如果对一个方向没有兴趣，就很难真正在科学研究上有很好的发展，兴趣是从事科学研究工作的内在推动力。”人生没有白走的路。“大学物理专业背景，后来成为我在化学动力学研究上的优势。”杨学明说。个人经历让他深知做一个好老师的重要性，以及在科研范式发生重大变化的当下，推进学科交叉融合的紧迫性。2017年11月，杨学明有了一个新身份——南方科技大学理学院院长。“我非常有幸一直走在科学研究的最前沿，也特别兴奋有机会参与南方科技大学理学院的发展和建设，希望自己能够为国内的高等教育改革发展做些事情，特别是在学科交叉融合发展方面做些努力。”杨学明说。如今虽然事务繁杂，但杨学明依旧将至少一半的工作时间留给科研。“让我感到最快乐的，可能就是整天在实验室里面思考科学问题、与学生一起讨论。”杨学明说，“科研工作对我来说，就像南方人每餐都要吃米饭一样，一顿不吃就好像少了点什么。”

大连光源 　　1月15日，由中科院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的极紫外自由电子激光装置——大连光源，在经过3个多月的调试后，这个总长100米的大装置发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子，成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。　　中科院副院长王恩哥评价称：“大连光源是中科院乃至我国的又一项具有极高显示度的重大科技成果。装置中90%的仪器设备均由我国自主研发，标志着我国在这一领域占据了世界领先地位，为我国未来发展更新一代的高重复频率极紫外自由电子激光打下了坚实的基础。”　　给分子“拍个电影”　　自由电子激光是国际上最先进的新一代先进光源，也是当今世界先进国家竞相发展的重要方向，在科学研究、先进技术、国防科技发展中有着重要的应用前景。先进自由电子激光的发展在前沿科学研究中发挥着越来越重要的作用，特别是近十年来，自由电子激光技术的发展和突破为探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了前所未有的研究工具。　　“自由电子激光能够给分子‘拍电影’，比如记录化学键断裂的动态过程，具有非常诱人的应用前景。”中科院上海应物所所长赵振堂说。　　而要拍好这部“电影”，离不开神奇的极紫外光。　　当波长短到100纳米附近时，一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把分子打碎，这个波段的光称为极紫外光。　　“在科学实验中，需要探测的原子或分子数量可能非常少，存在时间也非常短，普通的极紫外光源无法满足这个需求，必须要有高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。”中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室研究员戴东旭解释称，“极紫外激光只能在‘特殊物质’中产生，这个‘特殊物质’就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。”　　但是，一台运行在极紫外波段的自由电子激光设备在世界上尚属空白。　　这让科学家感到，中国的机会来了。　　中国第一 世界最亮　　在国家自然科学基金委国家重大仪器专项资助下，由大连化物所和上海应物所联合研制的大连光源项目于2012年初正式启动，2014年10月正式在大连长兴岛开工建设，并于2016年9月底安装完成，首次出光。　　至此，大连光源成为我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置，是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置，也是世界上最亮的极紫外光源。　　光源的每一个激光脉冲可产生超过100万亿个光子，波长可在极紫外区域完全连续可调，具有完全的相干性 该激光可以工作在飞秒或皮秒脉冲模式，可以用自放大自发辐射或高增益谐波放大模式运行。在这样的极紫外光照射下的区域内，几乎所有的原子和分子都“无处遁形”。　　“大连光源属于第四代光源，在化学、能源、物理、生物、环境等重要研究领域有着广泛的应用，我国率先建成这一先进光源，对推动我国乃至世界在这些领域的研究发展有着极其重要的意义。”中科院院士、中科院大连化物所副所长杨学明说，“大连光源的成功研制也为我国未来发展X波段的自由电子激光打下了坚实基础。”　　例如，举国关注的雾霾问题，就可以利用大连光源来研究。大气中的化学物质与水分子作用后，形成分子团簇，这些团簇在生长过程中吸附大气中各种污染分子，生长为较大的气溶胶颗粒，并逐渐成长为雾霾。利用大连光源极紫外软电离技术，就可以研究雾霾的生长过程，从根本上理解雾霾形成的机理，为大气污染防治提供科学依据。　　在王恩哥看来，在当今世界，大科学工程对于科技发展起着越来越重要的推动作用。大连光源的建成出光，成为我国大科学工程的又一成功范例，将大大促进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升，为我国科技事业注入新的活力。　　一次握手 造就典范　　大连光源正式开工建设以来，在两年的时间里完成了基建工程以及主体光源装置的研制，并且在很短的时间内调试成功产生了世界上单脉冲最亮的极紫外激光，创造了我国同类大型科学装置建设的新记录。　　这一项目也开创了我国科学研究专家与大科学装置研制专家成功合作的先例，对于未来加快推动大科学装置在科学研究中的应用具有重要的现实意义。　　以科学目标为驱动，让大连光源成为我国大科学装置研制的典范。赵振堂告诉《中国科学报》记者，我国早期的大科学装置，往往都是先建好装置，再去找用户，看看哪些科学家能用。“但是大连光源把这个过程反了过来，是科学家先对科研有了需求，再找到工程团队来合作。这要求我们在建装置之前就充分调研，开工之前就要掌握装置的科学目标是什么。”　　大连化物所的长处是科学研究，而上海应物所团队在大科学装置建设方面积累了20年的经验，两个团队为了相同的梦想走到了长兴岛，合作顺利得出人意料。　　“合作、协同是中科院的优良传统。”赵振堂认为，“现在看来，打破研究所之间藩篱，整合各所力量，集各家之长来建大科学装置，是投入产出比最小、效率最高的一种方式。”　　接下来，大连化物所以及上海应物所的项目专家将进一步把大连光源建设成为高水平的实验研究用户装置，为我国乃至世界提供一个独特的科学研究装置。

中科院条件保障与财务局组织验收专家组听取了项目总体报告和三个核心成员报告，了解了财务审查情况，现场查看了项目典型成果，经质询讨论，一致认为：项目团队完成了项目实施方案规定的全部任务，达到了项目预期目标，成果显著，同意通过验收。专家一致建议持续支持。　　该项目执行期为2019至2021年。经过三年时间，项目组突破了基于常温加速器的极紫外自由电子激光双脉冲运行模式关键技术，发展了面向未来的基于超导加速器的高重频极紫外自由电子激光关键技术，开辟了独特的质量选择中性团簇的红外光谱关键技术，有效填补了国内和国际空白，使我国在新一代光源的研发和技术领域处于国际先进行列。项目组基于极紫外光源技术，发展了国际领先的实验技术，结合精确的理论计算在原子、分子、量子态分辨水平上揭示了气相、团簇、催化、表面等能源基础领域重要化学过程的基本动力学规律，取得了多项重要成果，为大气雾霾、表界面催化、光催化、星际化学等领域提供了坚实的科技支撑和创新策略。　　该项目形成了一支具有国际先进研发能力的极紫外光源技术团队，积累了自由电子激光技术，大型科学装置，先进实验站的设计、建设、运营、维护的丰富经验，同时也掌握了基于极紫外光源的气相、团簇、催化、表面等领域的基础科学知识、实验技术以及理论计算方法，取得了丰富的科研成果。