北京
豆丹丹
前不久，我国在稳定同位素富集与高纯硅制备领域取得突破：首次成功实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产，产品指标达国际先进水平。这种关键材料的突破，将为硅基量子芯片研制和先进制程半导体、高端导航、计量基准等前沿技术和产品提供坚实支撑。
硅是一种重要的化学元素，天然硅中有3种同位素，分别是硅-28、硅-29、硅-30。普通硅中因为存在产生磁噪声的硅-29同位素，会瞬间摧毁脆弱的量子态。硅-28作为硅最轻的稳定同位素，原子核自旋为零，可极大降低量子计算中的“环境噪声”干扰，是硅基量子芯片不可或缺的关键材料。
获取高丰度的硅-28，就像“在一场众多选手同时参加的马拉松比赛里，精准挑出几个体重轻一些的选手”，不仅需要精准识别极其微小的同位素差异，更要将这些细小颗粒高效汇集。早在2006年，我所在的中国原子能工业有限公司核工业理化工程研究院就开展了硅-28同位素研究，并将丰度提至99.5%。然而，提取超高丰度硅-28同位素，面临着专用设备研制、系统设计以及高精准系统控制等难点。
为找到设备的最优设计形态，我们从流体力学的底层理论开始构建模型，设计了新型分离系统。我们还根据各段优化结果，以不同的系统形式在交界处反复试验，找到了既能平滑过渡，又能独立可控的方法，就像给设备装上了灵活的关节和分区的神经，从而解决了单一控制模式下的难题。
丰度向99.99%跨越的过程，控制稍有不慎就会功亏一篑。面对这种多变量、强耦合的非线性系统，团队连续驻守现场72小时，逐段调试算法。当样品丰度最终达到99.99%以上，并实现平稳运行时，整个实验现场沸腾了。
稳定同位素是核技术应用的重要领域，也是支撑国家高端产业与前沿科学研究的基础材料。长期以来，全球稳定同位素制备技术高度集中，壁垒极高。近年来，核工业理化工程研究院持续推动稳定同位素技术的工程化与产业化，攻克同位素分离、纯化、转化等一系列尖端技术难题，先后实现了钼、碲、镍、锌、硅、镱等12种元素、26种稳定同位素首次研发和生产。未来，我们还将面向核能与核医疗、航空航天、量子信息、粒子物理、深空探测等领域的重大需求，开展系列稳定同位素产品的研发。
(作者为中国原子能工业有限公司核工业理化工程研究院稳定同位素技术研发中心团队成员，本报记者谷业凯采访整理)
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