我 國 自 主 研 制 閉 循 環 光 耦 合 S P M 系 統 ， 為 量 子 科 技 前 沿 研 究 提 供 可 持 續 的 “ 中 國 方 案 ”。

導讀

在量子材料、超導物理和納米科學的前沿探索中，科學家需要在接近絕對零度的極低溫、超高真空和原子級分辨條件下，對材料的電子、光子、磁學等多重物性進行原位、協同測量。然而，傳統低溫掃描探針顯微鏡嚴重依賴液氦制冷，這種稀缺戰略資源的供應不穩定、成本高昂且實驗窗口短暫，已成為全球基礎科學研究的共同瓶頸。2026年3月，中科艾科米（北京）儀器有限公司研發團隊聯合中國科學院物理研究所郇慶研究員團隊、中國科學技術大學譚世倞教授團隊，在《高端科學儀器》雜志上發表了突破性成果。研究團隊成功將自主研發的“遠端液化”閉循環無液氦制冷方案與光耦合掃描探針顯微鏡深度融合，研制出國際領先的全閉循環無液氦光耦合掃描探針顯微鏡系統。該系統實現了基礎工作溫度低于3K（最低可達2.6K）、接近±1mK的溫度穩定性及小于1皮米的振動水平，并能在該極限環境下持續穩定運行數月。其創新的光耦合多模態探頭，集成了兩個由三維壓電納米馬達獨立驅動的透鏡模組，實現了高達22.8%的光子收集效率，從而首次在無液氦條件下完成了埃米級精度的近場光學成像。這一“大國重器”的誕生，極大程度上降低了對進口液氦的高度依賴，緩解了我國氦資源對外依存度高達95%以上的“卡脖子”難題，更為在原子尺度上同時“看見”形貌、“聽見”電子、“識別”化學鍵，提供了革命性的可持續研究工具，標志著我國在高端低溫顯微儀器領域實現了從跟跑到并跑乃至領跑的關鍵跨越。

Part 1

量子世界的

“終極顯微鏡”與“液氦枷鎖”

要揭開高溫超導體中電子神秘配對的面紗，厘清拓撲量子材料中受拓撲保護的邊緣態，或精準操控單個量子點的發光特性，科學家必須擁有一雙能在極端條件下工作的“慧眼”。這雙“慧眼”就是掃描探針顯微鏡。它通過納米探針在材料表面的精密掃描，不僅能繪制出原子分辨率的“地形圖”，更能同步探測局域的電子態密度、磁疇結構乃至化學鍵振動信息，是連接宏觀物性與微觀機制的橋梁。

然而，許多顛覆性的量子現象只在接近絕對零度（-273.15°C）的極低溫下才會顯現。為此，為掃描探針顯微鏡（SPM）創造一個穩定、純凈的低溫環境是觀測的前提。過去半個多世紀，全球實驗室都依賴于一個昂貴且脆弱的方案：使用液態氦。液氦在標準大氣壓下的沸點為4.2K，是創造極低溫環境的關鍵介質，但它是一種不可再生的稀缺戰略資源。我國氦氣資源總量僅占全球的0.1%，對外依存度長期高達95%以上。一套傳統“濕式”SPM，每次實驗需消耗數十升液氦，僅能運行數天，之后便面臨昂貴的“補液”成本和漫長的重新降溫等待。這不僅是沉重的經濟負擔，更嚴重制約了科研的連續性和探索深度。為中國的量子科學前沿裝備一雙不受制于人的“低溫慧眼”，研制自主可控、可持續運行的無需持續補給液氦的高端SPM系統，是一項關乎國家戰略科技力量自立自強的重要使命。

Part 2

技術突破：

“遠端液化”開啟無液氦新紀元

聯合團隊破解這一世界性難題的核心，在于一項完全自主的“遠端液化”閉循環制冷方案。這并非對傳統技術的簡單改良，而是一次原理性的革新。

傳統方案將制冷機與顯微鏡緊密集成（近端制冷），振動和電磁干擾難以隔絕，且基礎溫度難以突破5K。團隊創新性地將制冷機的“冷頭”（振動與熱源）與顯微鏡主體進行物理分離。可以將其想象為一個高度集成的“中央冷站”：制冷壓縮機被放置在數米之外的獨立腔體中，它將氦氣持續壓縮、冷卻并液化。液態氦通過高性能絕熱傳輸線被精準“泵送”至顯微鏡本體的冷盤，通過相變吸熱為樣品和探針創造極低溫環境。吸熱氣化后的氦氣被完全回收、純化，重新壓入壓縮機，形成一個完美的閉循環。

這一“冷熱分離”的架構，從根源上消除了機械振動對顯微鏡主體的直接影響，這是實現亞原子級穩定性的基石。基于此，團隊成功將“遠端液化”制冷機與光耦合掃描探針顯微鏡進行深度集成，誕生了全新的OC-SPM系統。

該系統最具革命性的創新在于其光耦合多模態掃描探頭。探頭內并非簡單的光學窗口，而是集成了兩個由三維壓電納米馬達獨立驅動的非球面透鏡模組（數值孔徑0.46）。這兩個“納米機械眼”可以對入射激光束和收集信號光路進行埃米級精度的動態實時對準與聚焦，最高可實現22.8%的光子收集效率。這意味著，科學家在獲得原子級形貌圖像和掃描隧道譜的同時，能在完全相同的位點、相同的極低溫環境下，同步進行高空間分辨的拉曼光譜、光致發光光譜等近場光學測量，真正實現了形貌、電子、光子信息的“三位一體”融合表征。

Part 3

性能巔峰：穩定、精準、

持久的量子實驗平臺

對銀酞箐等標準樣品的系統性表征測試，充分驗證了該系統的卓越性能：

1.極限低溫與超高穩定性：系統工作溫度可長期穩定在3K以下，最低可達2.6K，溫度波動被控制在±1毫K以內。這為觀測微弱的量子相變和能隙提供了近乎理想的熱力學環境。

2.埃米級振動控制：受益于“遠端液化”的完美隔振，系統在關鍵頻段的振動噪聲水平小于1皮米（約百分之一原子直徑），確保了探針與樣品相對位置的穩固定位，這是實現埃米級分辨率成像的生命線。

3.多模態原子/埃米成像：掃描隧道顯微鏡與非接觸原子力顯微鏡均展現出清晰的原子級分辨率成像能力。更重要的是，其光耦合模塊首次在無液氦條件下實現了埃米尺度的近場光學成像，能夠分辨出傳統SPM無法區分的、形貌相似但化學鍵不同的表面結構。

4.革命性的運行范式：系統一旦啟動，即可實現每周7天、每天24小時、持續數月的不間斷穩定運行。這徹底終結了科研人員“搶氦氣、等降溫”的被動局面，將儀器運行時間轉化為實實在在的科研產出時間，開啟了“設置好實驗，讓數據自動流淌”的全新科研模式。

Part 4

戰略意義與應用藍圖：

破解“液氦之困”，賦能未來產業

這項突破的戰略價值，遠超一臺儀器本身。它是一場對關鍵戰略資源“卡脖子”困境的成功突圍，更是一個賦能多領域原始創新的強大平臺。

1.保障戰略資源安全：我國氦資源極度匱乏，嚴重依賴進口;該技術的成熟與推廣，將大幅減少乃至消除前沿基礎研究對液氦的依賴，為國家戰略科技力量的自主可控筑牢資源根基。

2.催生量子科學原始創新：是深入研究高溫超導機理、拓撲量子物態、馬約拉納零能模等重大科學問題的核心工具之一，有望助力我國在量子科技前沿實現從“并跑”到“領跑”的躍遷。

3.引領半導體產業精進：當芯片制程進入亞納米時代，原子尺度的缺陷和界面態決定了性能極限。該系統可對第三代半導體、二維半導體等材料的缺陷、摻雜和界面進行原子級電學與化學聯合分析，為芯片工藝的極限優化提供直接依據。

4.加速量子信息硬件研發：可用于精準表征與操控人工量子體系（如半導體量子點、金剛石色心），直接測量量子比特的相干時間、操控保真度及與光子的耦合效率，服務于可擴展量子計算與量子網絡硬件的研制。

5.開拓新能源材料微觀設計：對于高溫超導帶材、高效熱電材料、新型光伏材料等，可在實際工作溫度附近直接觀測電流分布、熱輸運或光電轉換的微觀機制，實現從“試錯”到“理性設計”的范式轉變。

Part 5

總結與展望

中科艾科米、中國科學院物理研究所、中國科學技術大學聯合團隊共研的這一成果，是我國高端科學儀器領域實現自主創新的標志性成就。它不僅僅是將制冷方式從“濕式”改為“干式”，還通過原創的“遠端液化”方案，在核心性能指標上實現了對傳統液氦系統的全面對標乃至超越，并賦予了其前所未有的光耦合多模態探測能力。

這臺“無液氦”光耦合SPM系統是一個強大的綜合性研究平臺。它將極低溫、超高穩定、超低振動、多模態探測等以往難以兼得的頂尖性能融為一體，為科學家探索量子世界的奧秘提供了前所未有的自由度和可能性。未來，隨著該系統的批量應用和持續迭代，并與強磁場、高壓等極端條件進一步結合，它必將成為支撐我國在物理、材料、信息、能源等領域開展源頭創新研究的“國之重器”，為我國在新一輪科技革命和產業變革中搶占先機提供堅實的支持。

科研團隊信息

本項突破性研究與系統研制工作由中科艾科米（北京）儀器有限公司研發團隊、中國科學院物理研究所郇慶研究員團隊、中國科學技術大學譚世倞教授團隊共同完成。研究工作得到了國家自然科學基金項目、國家重大科研儀器研制項目、中國科學院關鍵技術研發團隊項目及北京市科技計劃懷柔科學中心項目等的大力支持。該系統的核心研發、集成測試與示范應用，深度依托北京懷柔綜合性國家科學中心的先進研發與測試平臺。懷柔科學城作為北京建設國際科技創新中心的核心支撐，其匯聚的大科學裝置與交叉研究平臺，為高端科學儀器的自主研發、性能驗證與迭代升級提供了不可或缺的環境。此項成果是“院地合作、產學研用協同創新”模式的生動實踐，有力推動了懷柔科學城在高端科研儀器裝備領域的創新策源能力，為國家戰略科技力量的強化做出了實質性貢獻。

來源：懷柔科學城城市客廳新媒體中心 張耀

編輯：柯欣

審核：王汝霖

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