News on China's scientific and technological development.

SanWenYu

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Chinese scientists discovered "the first example of a fundametally new class of photocathode quantum materials".

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Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide​

Abstract​

Photocathodes—materials that convert photons into electrons using the photoelectric effect—are a critical foundation for many modern technologies that rely on light detection or electron-beam generation1,2,3. Currently existing photocathodes, however, are based on conventional metals and semiconductors that were mostly discovered six decades ago with sound theoretical underpinnings4,5. Progress in this mature field has been limited to refinements in photocathode performance based on sophisticated materials engineering1,6. Here we report unusual photoemission properties of a reconstructed surface of SrTiO3(100) single crystals prepared by simple vacuum annealing that go beyond the existing theoretical descriptions4,8,7-10. Unlike other positive-electron-affinity (PEA) photocathodes, our PEA SrTiO3 surface produces discrete secondary photoemission spectra at room temperature, characteristic of the efficient negative-electron-affinity photocathode materials11,12. At low temperatures, the photoemission peak intensity is enhanced substantially, and the electron beam obtained upon non-threshold excitations displays longitudinal and transverse coherence that shatters known records by at least an order of magnitude6,13,14. The observed emergence of coherence in secondary photoemission points to the development of an underlying novel process on top of those encompassed in the current theoretical photoemission framework. SrTiO3 thus presents the first example of a fundamentally new class of photocathode quantum materials, opening new prospects for applications that require intense coherent electron beams without the need for monochromatic excitations, electron filtering or beam acceleration.

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世界首例!我国科学家发现光阴极“量子”材料​

记者从西湖大学获悉,西湖大学理学院何睿华课题组连同研究合作者一起,发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料,其性能远超传统的光阴极材料,且无法为现有理论所解释,为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。

北京时间3月9日凌晨,相关论文《一种钙钛矿氧化物上的反常强烈相干二次光电子发射》,已提前在线发表于《自然》期刊。西湖大学博士研究生洪彩云、邹文俊和冉鹏旭为论文共同第一作者,西湖大学理学院终身副教授何睿华为通讯作者。

1887年,德国物理学家赫兹在实验中意外发现,紫外线照射到金属表面电极上会产生火花。1905年,爱因斯坦基于光的量子化猜想,提出了对该现象的理论解释。这标志着量子力学大门的正式开启。由此,将“光”转化为“电”的“光电效应”,以及能够产生这个效应的“光阴极”材料,正式进入人类的视野。

“这些光阴极材料基本上都是传统金属和半导体材料,大多数在60年前被发现。它们已成为当代粒子加速器、自由电子激光、超快电镜、高分辨电子谱仪等尖端科技装置的核心元件。”何睿华表示,然而,这些传统材料存在固有的性能缺陷——它们所发射的电子束“相干性”太差,也就是说,电子束的发射角太大,其中的电子运动速度不均一。这样的“初始”电子束要想满足尖端科技应用的要求,必须依赖一系列材料工艺和电气工程技术来增强它的相干性,而这些特殊工艺和辅助技术的引入极大地增加了“电子枪”系统的复杂度,提高了建造要求和成本。

尽管基于光阴极的电子枪技术最近几十年来有了长足的发展,但已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。许多前述尖端科技的升级换代呼唤初始电子束相干性在数量级上的提升,而这已经不是一般的光阴极性能优化所能实现的了,只能寄望于在材料和理论层面上的源头创新。

深耕材料物理性质研究的西湖大学理学院何睿华团队,意外在一个同类物理实验室中“常见”的量子材料——钛酸锶上实现了突破。

此前以钛酸锶为首的氧化物量子材料研究,主要是将这些材料当作硅基半导体的潜在替代材料来研究,但何睿华团队却通过一种强大的、但很少被应用于光阴极研究的实验手段:角分辨光电子能谱技术,出乎意料地捕捉到这些熟悉的材料竟然同样承载着触发新奇光电效应的能力——它有着远超于现有光阴极材料的光阴极关键性能:相干性,且无法为现有光电发射理论所解释。

超快电镜专家、论文合作者、西湖大学理学院研究员郑昌喜认为,合作团队的这一发现,其重要性不在于往钛酸锶的神奇性质列表增添了一个新的性质,而在于这个性质本身,它可能重启一个极其重要、被普遍认为已发展成熟的光阴极技术领域,改变许多早已根深蒂固的游戏规则。

记者了解到,接下来,该团队将在理论和应用方面开展对相关材料的进一步研究工作。
 

SanWenYu

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China uses home-made "quantum chip refrigerators" (high vacuum storage) in its first quantum chip production line.

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我国首款“量子芯片冰箱”问世​

科技日报合肥3月15日电 (记者吴长锋)量子芯片对保存环境要求极高,如何将娇贵的量子芯片长期“保鲜”存放?记者15日从安徽省量子计算工程研究中心获悉,我国首个可保存量子芯片的高真空存储箱研制成功,并已投入国内首条量子芯片生产线使用,其被科学家形象地称为“量子芯片冰箱”。

“量子芯片中的超导材料对环境敏感度较高,容易和空气中的氧气、水分子产生化学反应,就像食物暴露在空气中‘氧化腐烂’,量子芯片如果不妥善保存,也会因为‘不新鲜’而无法使用。本源量子团队采用高真空存储技术,自主研发了这台量子芯片高真空存储箱,它可以为量子芯片提供高真空的保存环境,就像是‘量子芯片冰箱’。研发人员用它调节存储空间的室内压强,从而给量子芯片‘保鲜’,避免其失去效用。”安徽省量子计算工程研究中心副主任贾志龙向记者介绍道。

量子芯片是量子计算机的核心部件。与传统经典集成电路芯片不同,量子芯片需要经过复杂的系统生产过程,像环境温度、洁净程度、噪声、振动、电磁波以及微小杂质颗粒等,都会对其产生影响。

贾志龙表示,如果流片过程中或者流片完成的量子芯片样品储存环境不达标,超导量子芯片就会吸附各类杂质,其关键部件约瑟夫森结、超导电容等会因此老化,导致量子比特频率一致性变差、量子芯片相干时间降低,最终量子芯片的性能发生恶化。采用自主研发的量子芯片高真空存储箱来放置量子芯片可避免这一问题发生。
 

SanWenYu

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Miniature viscometer incorporating GaN optical devices with an ultrawide measurement range​

by scientists from Southern University of Science and Technology in Shenzhen.

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The measurement and assessment of fluid viscosity, which make it possible to determine fluid flow properties, are critical in the oil, food, cosmetic, pharmaceutical, and chemical industries14. To date, however, the success in developing rapid, low-cost, miniaturized viscometers covering a wide measurement range has been extremely limited. Herein, a novel design of a viscometer based on the integration of a chip-scale GaN optical device with a bendable strip is reported. The developed viscometer can measure fluid viscosity over an ultrawide range of 10^0–10^6 mPa∙s. This work also demonstrates the remarkable features of fast measurement, high stability, and real-time monitoring capability, which prove its potential as a new generation of viscosity-measuring units in various practical applications.
 

SanWenYu

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China made a breakthrough in mass production of photonic integrated circuits.

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Foundry manufacturing of tight-confinement, dispersion-engineered, ultralow-loss silicon nitride photonic integrated circuits​

Abstract​

The foundry development of integrated photonics has revolutionized today’s optical interconnect and datacenters. Over the last decade, we have witnessed the rising of silicon nitride (Si3N4) integrated photonics, which is currently transferring from laboratory research to foundry manufacturing. The development and transition are triggered by the ultimate need for low optical loss offered by Si3N4, which is beyond the reach of silicon and III-V semiconductors. Combined with modest Kerr nonlinearity, tight optical confinement, and dispersion engineering, Si3N4 has today become the leading platform for linear and Kerr nonlinear photonics, and it has enabled chip-scale lasers featuring ultralow noise on par with table-top fiber lasers. However, so far all the reported fabrication processes of tight-confinement, dispersion-engineered Si3N4 photonic integrated circuits (PICs) with optical loss down to few dB/m have only been developed on 4-inch (100 mm diameter) or smaller wafers. Yet, to transfer these processes to established CMOS foundries that typically operate 6-inch or even larger wafers, challenges remain. In this work, we demonstrate the first foundry-standard fabrication process of Si3N4 PICs with only 2.6 dB/m loss, thickness above 800 nm, and near 100% fabrication yield on 6-inch (150 mm diameter) wafers. Such thick and ultralow-loss Si3N4 PIC enables low-threshold generation of soliton frequency combs. Merging with advanced heterogeneous integration, active ultralow-loss Si3N4 integrated photonics could pave an avenue to addressing future demands in our increasingly information-driven society.

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集成光学新赛道上的新“跨越”​


集成光学是用光子集成线路实现光信号合成、处理和探测的技术,因此也被称为“光芯片”技术。在过去20年里,集成光学技术已实现从“实验室演示”到“工业级量产”的跨越,并成功应用在高速高容量光通信网络和数据中心。目前,用硅和磷化铟异质集成方式实现的电泵浦半导体激光器芯片已经实现商业化,并广泛应用于光互连数据中心。然而,硅和磷化铟仍存在光传输损耗过高等材料局限。

近日,深圳国际量子研究院研究员刘骏秋团队与杭州芯傲光电有限公司合作,实现了超低损耗氮化硅集成光学技术从“实验室演示”到“工业级大规模量产”的转化。联合团队首次在国内建立超低损耗、大尺寸晶圆、厚氮化硅光芯片工艺,且多项指标和综合性能达到国际最好水平。近日,相关研究在《光子学研究》上发表。

“光赛道”的挑战

集成光学被视为有可能突破摩尔定律的“新赛道”,但其自身仍存在诸多发展局限。其中,实现超低损耗集成光波导是该领域最基本、最核心的挑战之一。

氮化硅材料的引入,为人们提供了一个解决方案。氮化硅不仅具有多项优异的光学特性,而且氮化硅片上集成光波导的加工也能完美兼容当下标准的CMOS硅芯片制造工艺。目前,世界上仅少数几个实验室实现了0.01 dB每厘米甚至更低的光传输损耗。利用超低损耗氮化硅片上光波导来构建高品质因子光学微腔和复杂线性网络,人们实现了芯片集成的光频率梳、窄线宽激光器、光放大器、压缩量子光源及光神经网络等。

尽管国际上主要代工厂都能提供氮化硅光芯片生产和流片服务,但其光损耗离学术界报道的最好指标仍有显著差距。

尽管国际上主要代工厂都能提供氮化硅光芯片生产和流片服务,但其光损耗离学术界报道的最好指标仍有显著差距。

“事实上,超低损耗氮化硅光芯片在工业产线上仍面临很多挑战。”杭州芯傲光电有限公司总经理兼首席技术官叶志超博士告诉《中国科学报》,“比如高质量氮化硅薄膜沉积厚度超过400 纳米时,极易产生裂纹。如何在大尺寸晶圆工业产线上实现超低损耗的厚氮化硅薄膜,同时保证无裂缝和高良率(超过97%),是当下迫切需要解决的问题。”

解决“卡脖子”问题

为解决这些问题,杭州芯傲光电有限公司开发了一套基于6英寸晶圆的CMOS减法芯片工艺,结合先进的深紫外步进光刻技术,以及氮化硅材料生长、刻蚀、退火、钝化等技术,成功制备出厚度超过810 纳米、光损耗低于0.026 dB每厘米的氮化硅光芯片。

深圳国际量子研究院团队对这些光芯片的损耗、色散、耦合强度、均匀性等光学性质进行了系统分析,发现这些氮化硅光芯片的综合性能已到达国际最高水平。基于环形微腔的实验表征证明,该工艺具有接近100%的良率。这保障了超低损耗氮化硅光芯片技术真正实现落地应用。

利用这些芯片,深圳国际量子研究院的研究人员实现了氮化硅芯片集成的孤子光频率梳,其光谱范围覆盖整个光通信的C波段,且重复频率在微波K波段。

“这种芯片集成光频率梳器件可以直接用于光微波生成、高容量相干光通信和天文光谱仪校准等前沿领域。这些应用国外已有相关报道,国内相关研究也在积极开展。”杭州芯傲光电有限公司副总经理黄张君博士说。

目前,国际上仅美国、瑞士和瑞典拥有超低损耗氮化硅光芯片生产技术,并已形成技术壁垒,我国很多高校和科研单位使用的相关技术和产品均依赖进口。因此,该工作是打破西方技术壁垒、建立全流程光芯片加工技术的重要突破。相关技术对发展未来片上光器件、光通信、激光雷达、神经网络、量子信息处理、传感和精密测量将起到重要作用。

“这项工作的亮点是实现了自主研发、自主可控、特色和应用面鲜明的光芯片技术,且多项工艺和技术指标世界领先。”叶志超说,“在当前的国际环境下,科技自立自强尤为必要。我们的工作解决该领域一个‘卡脖子’问题。”

为支持国产期刊,研究团队将论文投给中国激光杂志社创办的国际光学期刊《光子学研究》。论文审稿专家评论说:“这篇论文相当完整和扎实。”“这将为基于微腔光频梳的研究提供大量机会。”另一位审稿人认为,这篇论文“结果令人印象深刻,这项工作是氮化硅光子集成技术线路走向成熟的重要一步”。

目前,该团队部分芯片已交付国内外相关研究单位开展合作研究。

真正的“跨越”

芯片尺寸的微缩和硅片直径的增大,一直是集成电路工艺领域追求的目标。在集成光学领域,考虑到光的衍射极限,目前90纳米甚至180纳米制程完全可以满足需求。因此人们关注的重点是器件整体性能,如损耗和色散调控,以及大规模制造的产量和良率等因素。

“对集成光学而言,这项工作的重点不是制程的提升。”刘骏秋解释说,“我们实现的‘跨越’主要是,以前的工作大都基于小尺寸晶圆、利用电子束曝光来制备。这是首次在芯片制备流程中,把很多核心步骤换成了工业生产线上的常用技术,包括使用大尺寸晶圆和深紫外步进式光刻机等,并进行各步骤间的整合与协调,使工艺流程与工业线技术更兼容。真正实现了既保证超低损耗,又显著提升芯片的产量和良率。”

目前,实验室里实现厚氮化硅技术光损耗的最好指标是0.01 dB每厘米,该技术实现了0.02 dB每厘米(损耗数值越小越好)。尽管离国际最好指标仍略有差距,但由于用了6英寸大尺寸晶圆,每片晶圆上能制备的芯片数量反而得到极大提升。研究团队表示,目前他们正积极优化工艺,未来有望实现0.007 dB每厘米的损耗。

在实际生产中,“良率”是工业界高度关注的指标,因为若一项技术的良率低,则严重影响其实际量产和应用价值。而作学术研究时,人们通常不关心该指标,发表文章也不需要讨论“良率”问题,甚至有人刻意避免讨论该问题。对于以发论文为目的的研究来说,100个样品里能做成一个,就能发表文章了。

“但技术落地必须考虑良率。”刘骏秋认为,工业生产线上出来的产品,就应该良率高,芯片加工制造尤其如此。比如,台积电把一个技术推向生产线,前提条件就是良率超过97%。因此在该项研究中,研究团队首次将“良率”作为重要指标进行表征和分析,结果发现其实现了良率接近100%。

“这些指标既是技术的‘跨越’,也是领域的‘跨越’。”刘骏秋补充说,“我们实际上把两个领域——学术界和工业界——连接起来了。现在大家可以在同一个话语体系里谈一件事情,并形成基本共识。”
 

sunnymaxi

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Registered Member
China's self-developed ultra-low temperature dilution refrigerator, which can create a temperature near absolute zero for quantum computing, has achieved a minimum temperature of 9.2 mK (≈-273.14℃) during continuous cycle operation, reaching the world's top class in the field..

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escobar

Brigadier
While the U.S. plans to plow vast sums of money into a handful of companies in a bid to dominate global supplies of a single critical technology, China is pursuing a different strategy. In recent years, Chinese leaders have redirected ever more state funding to helping build self-sufficiency and dominance across a swath of industries, aimed at unblocking what Beijing has called technological “chokepoints” where it fears the U.S. and its allies can hamper its progress.
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