2025前沿谈｜物理学家揭秘晶体生长核心机制

　　作为一个研究凝聚态物理的科学家，这一年，最艰难的时刻莫过于要推翻全世界沿用的传统理论，承认旧路走不通，在迷雾中寻找新方向。

　　那最幸福的时刻，莫过于当我们第一次在显微镜下观测到，用新方法制备出来的晶体排列得整整齐齐时，那种震撼无法言喻。

　　2025年，我们将自主首创的晶体制备方法应用到光学晶体生长领域。通俗地说，就是用一种类似“顶竹笋”“拧魔方”的方法，让光学晶体生长，得到了一种“超薄转角光学晶体”。

　　这是制备的氮化硼光学晶体照片，照片中间长方形的样品区域是氮化硼材料。新华社发（作者供图）

　　这些名词是不是听起来一头雾水？这就是我写这篇科普文章的目的，就是告诉大家：基础科学研究很有趣，它就在我们身边。

　　比如，什么是凝聚态物理？这个词儿听起来很高深，其实它就是研究微观粒子如何“排队”的学问，就像水分子“听指挥”整齐排列就能结成冰一样。

　　什么叫晶体？它是计算机、通信、航空、激光技术等领域的关键材料。过去几十年，国际上通用的造晶体方法，就像是“盖房子”——这相当于先铺好地基（晶种），然后把原子一块块搬运过来，在表面一层层垒上去。

　　这种方法有个致命弱点：楼层一旦盖高了，稍微有一块砖没对齐，后面就会跟着歪，甚至导致整栋楼“塌方”。

　　因此，对于我们需要的原子级平整的晶体来说，这种老办法造出来的材料，杂质及缺陷多、面积小，影响晶体的纯度质量，根本没法用。原子的种类、排布方式等需严格筛选才能堆积结合，符合制备条件。但当时国际上的主流仍在采取老办法长晶体，面对这一难题，缺乏有效的解决方案。

　　那时候我们就在想，既然堆砌行不通，能不能换个思路？

　　灵感往往来自于对自然的观察。我们想到了雨后的竹笋。竹笋的生长不是靠谁在它头顶堆砌长高的，它是靠根部的力量，把身体一节一节从土里“顶”出来的。

　　于是，我们大胆提出了一种全新的“晶格传质-界面生长”范式。通俗地说，我们不再在表面垒砖，而是设计好环境，让晶体材料直接从根基处被源源不断地“顶”出来，就好像“顶竹笋”一般生长。

　　实验结果出来的那一刻，连我们自己都惊到了：用这种“顶竹笋”的方法，晶体生长速度快得惊人，每分钟最快能长出50层原子，而且能长到超过10万层那么厚！最关键的是，每一层原子都排得整整齐齐，就像列队的士兵一样标准，这有效避免了缺陷积累，提高了结构可控性。

　　这样长出来的晶体，又厚又完美，很多人说，这种新的晶体制备方法就像“魔法”。

　　但在应用的过程中，我们又遇到了新的挑战。

　　我们发现，激光穿过这些完美的氮化硼晶体时，响应光波并未按照理想的方式完美叠加，而是出现了“严重内耗”的情况。物理学上称为“相位失配”。

　　这是因为：光波在每一层材料中传输时的相位不一致，多层材料叠加后，光波的总体电场互相抵消，白白浪费了我们生长出的完美厚层晶体——这就像龙舟比赛，如果队员不按照鼓点同时发力，而是各自按自己的节奏发力，即使队伍都是大力士，龙舟也无法飞驰。

　　如何才能让各层晶体“一同发力”呢？这一次，我们借鉴了“魔方”的智慧。

　　我们不再简单地把晶体一层层摞起来，而是像拧魔方一样，把它们按照特定的角度旋转之后再拼接。通过这一“拧”，原先“各自为战”的每一层晶体现在能“齐心协力”，最终释放出极强的激光。

　　这就是我们提出的“转角光学晶体”理论。我们把这种晶体称之为“超薄转角光学晶体”。它是“顶竹笋”和“拧魔方”两种奇思妙想的结合。

　　这是自主搭建的高精度半自动原位转角叠层光学晶体转移台，可进行光学晶体高精度转角堆叠并实时监控激光输出效率，最终实现高效转角光学晶体构建。新华社发（作者供图）

　　这一成果发表于《科学》杂志，经新华社报道后，得到了社会广泛关注，后来入选2025中关村论坛年会面向世界科技前沿重大成果。

　　这个“长材料”的新方法，有什么用？

　　一言概括：如果我们做出了中国自己的、性能优越的光学晶体，就有望提升芯片的集成度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料。

　　利用此新方法，团队现已制备出石墨、氮化硼、硫化钼、硒化钼等9种高质量的二维晶体。在将来，我们把这些二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可显著提高芯片集成度。可以预计的是，在指甲盖大小的芯片上，晶体管密度可得到大幅提升，从而实现更强大的计算能力。此外，这类晶体还可用于光学电光调控，有望推动超薄光学芯片的应用。

　　今年，围绕光学晶体，国际和国内相继取得重要突破：新加坡南洋理工大学利用二维晶体实现了量子纠缠光源；美国哥伦比亚大学利用堆垛二维晶体实现了可见光高效输出；山东大学、南京大学团队构建了激光晶体的强耦合系统并实现了超宽带倍频激光输出……未来，光学材料和技术将往更短波长、更高效率、更高集成化发展。

　　新的一年即将来临，我们计划向更短的波长迈进。比深紫外更短的波段被称为极紫外波段，是波长介于124纳米至10纳米的高能电磁辐射，主要应用于光刻技术和物质结构探测等领域，是一个非常极端的物理条件。固态极紫外光源目前是一个几乎空白的领域，国际上仅有的前沿技术面临着效率不够、功率不足等诸多问题。

　　我们希望，有一天能基于这一套思路研制出体积小、稳定性强、用途广泛的高性能固态极紫外光源，推动极紫外光刻芯片、阿秒科学等前沿科技领域发展，为人类探索“极端条件下的物理”提供新的动力。

　　面对热爱科学的青少年，我会对他们说：物理学不是枯燥的公式，它是上帝写给这个世界的“源代码”。如果你喜欢搭积木，那你就有成为凝聚态物理学家的潜质。

　　通俗地说，凝聚态物理就是探究物质微观结构的“建筑学”，也是创造未来科技的“魔法书”。

　　所以，我非常鼓励大家投身基础研究。虽然这条路有时候很寂寞，甚至会走进死胡同。但当你通过自己的努力，发现了一个新的物理规律，或者造出了一块世界上还没出现过的材料时，那种“我就站在人类知识边界上”的成就感，是任何东西都无法替代的。

　　未来属于敢于“顶竹笋”和“拧魔方”的你们！（作者系北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉）