显微镜的“能源革命” ——无液氦光耦合系统实现埃米级量子材料多模态解析

我 国 自 主 研 制 闭 循 环 光 耦 合 S P M 系 统 ， 为 量 子 科 技 前 沿 研 究 提 供 可 持 续 的 “ 中 国 方 案 ”。

导读

在量子材料、超导物理和纳米科学的前沿探索中，科学家需要在接近绝对零度的极低温、超高真空和原子级分辨条件下，对材料的电子、光子、磁学等多重物性进行原位、协同测量。然而，传统低温扫描探针显微镜严重依赖液氦制冷，这种稀缺战略资源的供应不稳定、成本高昂且实验窗口短暂，已成为全球基础科学研究的共同瓶颈。2026年3月，中科艾科米（北京）仪器有限公司研发团队联合中国科学院物理研究所郇庆研究员团队、中国科学技术大学谭世倞教授团队，在《高端科学仪器》杂志上发表了突破性成果。研究团队成功将自主研发的“远端液化”闭循环无液氦制冷方案与光耦合扫描探针显微镜深度融合，研制出国际领先的全闭循环无液氦光耦合扫描探针显微镜系统。该系统实现了基础工作温度低于3K（最低可达2.6K）、接近±1mK的温度稳定性及小于1皮米的振动水平，并能在该极限环境下持续稳定运行数月。其创新的光耦合多模态探头，集成了两个由三维压电纳米马达独立驱动的透镜模组，实现了高达22.8%的光子收集效率，从而首次在无液氦条件下完成了埃米级精度的近场光学成像。这一“大国重器”的诞生，极大程度上降低了对进口液氦的高度依赖，缓解了我国氦资源对外依存度高达95%以上的“卡脖子”难题，更为在原子尺度上同时“看见”形貌、“听见”电子、“识别”化学键，提供了革命性的可持续研究工具，标志着我国在高端低温显微仪器领域实现了从跟跑到并跑乃至领跑的关键跨越。

Part 1

量子世界的

“终极显微镜”与“液氦枷锁”

要揭开高温超导体中电子神秘配对的面纱，厘清拓扑量子材料中受拓扑保护的边缘态，或精准操控单个量子点的发光特性，科学家必须拥有一双能在极端条件下工作的“慧眼”。这双“慧眼”就是扫描探针显微镜。它通过纳米探针在材料表面的精密扫描，不仅能绘制出原子分辨率的“地形图”，更能同步探测局域的电子态密度、磁畴结构乃至化学键振动信息，是连接宏观物性与微观机制的桥梁。

然而，许多颠覆性的量子现象只在接近绝对零度（-273.15°C）的极低温下才会显现。为此，为扫描探针显微镜（SPM）创造一个稳定、纯净的低温环境是观测的前提。过去半个多世纪，全球实验室都依赖于一个昂贵且脆弱的方案：使用液态氦。液氦在标准大气压下的沸点为4.2K，是创造极低温环境的关键介质，但它是一种不可再生的稀缺战略资源。我国氦气资源总量仅占全球的0.1%，对外依存度长期高达95%以上。一套传统“湿式”SPM，每次实验需消耗数十升液氦，仅能运行数天，之后便面临昂贵的“补液”成本和漫长的重新降温等待。这不仅是沉重的经济负担，更严重制约了科研的连续性和探索深度。为中国的量子科学前沿装备一双不受制于人的“低温慧眼”，研制自主可控、可持续运行的无需持续补给液氦的高端SPM系统，是一项关乎国家战略科技力量自立自强的重要使命。

Part 2

技术突破：

“远端液化”开启无液氦新纪元

联合团队破解这一世界性难题的核心，在于一项完全自主的“远端液化”闭循环制冷方案。这并非对传统技术的简单改良，而是一次原理性的革新。

传统方案将制冷机与显微镜紧密集成（近端制冷），振动和电磁干扰难以隔绝，且基础温度难以突破5K。团队创新性地将制冷机的“冷头”（振动与热源）与显微镜主体进行物理分离。可以将其想象为一个高度集成的“中央冷站”：制冷压缩机被放置在数米之外的独立腔体中，它将氦气持续压缩、冷却并液化。液态氦通过高性能绝热传输线被精准“泵送”至显微镜本体的冷盘，通过相变吸热为样品和探针创造极低温环境。吸热气化后的氦气被完全回收、纯化，重新压入压缩机，形成一个完美的闭循环。

这一“冷热分离”的架构，从根源上消除了机械振动对显微镜主体的直接影响，这是实现亚原子级稳定性的基石。基于此，团队成功将“远端液化”制冷机与光耦合扫描探针显微镜进行深度集成，诞生了全新的OC-SPM系统。

该系统最具革命性的创新在于其光耦合多模态扫描探头。探头内并非简单的光学窗口，而是集成了两个由三维压电纳米马达独立驱动的非球面透镜模组（数值孔径0.46）。这两个“纳米机械眼”可以对入射激光束和收集信号光路进行埃米级精度的动态实时对准与聚焦，最高可实现22.8%的光子收集效率。这意味着，科学家在获得原子级形貌图像和扫描隧道谱的同时，能在完全相同的位点、相同的极低温环境下，同步进行高空间分辨的拉曼光谱、光致发光光谱等近场光学测量，真正实现了形貌、电子、光子信息的“三位一体”融合表征。

Part 3

性能巅峰：稳定、精准、

持久的量子实验平台

对银酞箐等标准样品的系统性表征测试，充分验证了该系统的卓越性能：

1.极限低温与超高稳定性：系统工作温度可长期稳定在3K以下，最低可达2.6K，温度波动被控制在±1毫K以内。这为观测微弱的量子相变和能隙提供了近乎理想的热力学环境。

2.埃米级振动控制：受益于“远端液化”的完美隔振，系统在关键频段的振动噪声水平小于1皮米（约百分之一原子直径），确保了探针与样品相对位置的稳固定位，这是实现埃米级分辨率成像的生命线。

3.多模态原子/埃米成像：扫描隧道显微镜与非接触原子力显微镜均展现出清晰的原子级分辨率成像能力。更重要的是，其光耦合模块首次在无液氦条件下实现了埃米尺度的近场光学成像，能够分辨出传统SPM无法区分的、形貌相似但化学键不同的表面结构。

4.革命性的运行范式：系统一旦启动，即可实现每周7天、每天24小时、持续数月的不间断稳定运行。这彻底终结了科研人员“抢氦气、等降温”的被动局面，将仪器运行时间转化为实实在在的科研产出时间，开启了“设置好实验，让数据自动流淌”的全新科研模式。

Part 4

战略意义与应用蓝图：

破解“液氦之困”，赋能未来产业

这项突破的战略价值，远超一台仪器本身。它是一场对关键战略资源“卡脖子”困境的成功突围，更是一个赋能多领域原始创新的强大平台。

1.保障战略资源安全：我国氦资源极度匮乏，严重依赖进口;该技术的成熟与推广，将大幅减少乃至消除前沿基础研究对液氦的依赖，为国家战略科技力量的自主可控筑牢资源根基。

2.催生量子科学原始创新：是深入研究高温超导机理、拓扑量子物态、马约拉纳零能模等重大科学问题的核心工具之一，有望助力我国在量子科技前沿实现从“并跑”到“领跑”的跃迁。

3.引领半导体产业精进：当芯片制程进入亚纳米时代，原子尺度的缺陷和界面态决定了性能极限。该系统可对第三代半导体、二维半导体等材料的缺陷、掺杂和界面进行原子级电学与化学联合分析，为芯片工艺的极限优化提供直接依据。

4.加速量子信息硬件研发：可用于精准表征与操控人工量子体系（如半导体量子点、金刚石色心），直接测量量子比特的相干时间、操控保真度及与光子的耦合效率，服务于可扩展量子计算与量子网络硬件的研制。

5.开拓新能源材料微观设计：对于高温超导带材、高效热电材料、新型光伏材料等，可在实际工作温度附近直接观测电流分布、热输运或光电转换的微观机制，实现从“试错”到“理性设计”的范式转变。

Part 5

总结与展望

中科艾科米、中国科学院物理研究所、中国科学技术大学联合团队共研的这一成果，是我国高端科学仪器领域实现自主创新的标志性成就。它不仅仅是将制冷方式从“湿式”改为“干式”，还通过原创的“远端液化”方案，在核心性能指标上实现了对传统液氦系统的全面对标乃至超越，并赋予了其前所未有的光耦合多模态探测能力。

这台“无液氦”光耦合SPM系统是一个强大的综合性研究平台。它将极低温、超高稳定、超低振动、多模态探测等以往难以兼得的顶尖性能融为一体，为科学家探索量子世界的奥秘提供了前所未有的自由度和可能性。未来，随着该系统的批量应用和持续迭代，并与强磁场、高压等极端条件进一步结合，它必将成为支撑我国在物理、材料、信息、能源等领域开展源头创新研究的“国之重器”，为我国在新一轮科技革命和产业变革中抢占先机提供坚实的支持。

科研团队信息

本项突破性研究与系统研制工作由中科艾科米（北京）仪器有限公司研发团队、中国科学院物理研究所郇庆研究员团队、中国科学技术大学谭世倞教授团队共同完成。研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家重大科研仪器研制项目、中国科学院关键技术研发团队项目及北京市科技计划怀柔科学中心项目等的大力支持。该系统的核心研发、集成测试与示范应用，深度依托北京怀柔综合性国家科学中心的先进研发与测试平台。怀柔科学城作为北京建设国际科技创新中心的核心支撑，其汇聚的大科学装置与交叉研究平台，为高端科学仪器的自主研发、性能验证与迭代升级提供了不可或缺的环境。此项成果是“院地合作、产学研用协同创新”模式的生动实践，有力推动了怀柔科学城在高端科研仪器装备领域的创新策源能力，为国家战略科技力量的强化做出了实质性贡献。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 张耀

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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