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北大转角氮化硼光学晶体作为2024中关村论坛10项重大科技成果之一发布
发布时间:2024-04-25    来源:北京日报   阅读次数:3487 分享到:
 

量子云算力集群综合指标进入国际第一梯队,世界上已知最薄的光学晶体产出,全球首个通用人工智能系统原型亮相……4月25日,在2024中关村论坛年会开幕式重大成果发布环节,10项重大科技成果集体亮相。

在光电信息领域,多项重大“芯”成果集中得到展示。国际首个全模拟光电智能计算芯片在智能视觉目标识别任务方面的算力,是目前高性能商用芯片的3000余倍,能效提升400万倍,有望成为人工智能发展的有力引擎。第五代精简指令集(RISC-V)正在引领新一轮处理器芯片技术与产业的变革浪潮,第三代“香山”开源高性能RISC-V处理器核是国际上首次基于开源模式、使用敏捷开发方法、联合开发的处理器核,性能水平进入全球第一梯队。

北京量子信息科学研究院联合中国科学院物理研究所、清华大学等团队,完成大规模量子云算力集群建设,实现了5块百比特规模量子芯片算力资源和经典算力资源的深度融合,总物理比特数达到590,综合指标进入国际第一梯队。

光学晶体被称为激光技术的“心脏”。北京大学科研团队创造性提出“转角相位匹配理论”,应用氮化硼首次制备出超薄、高能效的光学晶体——转角菱方氮化硼,其厚度仅为微米量级,能效提升至少100倍,为新一代激光技术奠定了理论和材料基础。

对脑与智的探秘,科研人员也有了重大突破。“北脑二号”高性能侵入式智能脑机系统拓展“心有灵犀”的边界,在国际上首次实现猕猴对二维运动光标的灵巧脑控,为更自然、更灵活的新一代神经假肢的开发等临床应用奠定了基础。人工智能取得系列成果,基于价值驱动的全球首个通用人工智能系统原型“通通”发布,可以识别人类意图并主动提供帮助,其已达到儿童一定的智力水平,并且正在持续成长中。

“中国天眼”首次探测到迄今最短轨道周期脉冲星双星系统、“拉索”发现史上最亮伽马暴十万亿电子伏特光子、全超导托卡马克核聚变实验装置实现世界上最长时间可重复的高约束模等离子体运行……一批“大国重器”正在持续产出系列国际领先成果。

此外,国家电力投资集团有限公司研制的300兆瓦级F级重型燃气轮机首台样机总装下线,是我国自主研制的最大功率、最高技术等级重型燃气轮机;中国科学院遗传与发育生物学研究所团队定位克隆到与耐碱性显著相关的主效基因,为盐碱地综合利用和保障粮食安全提供了新思路。

在加快建设世界领先科技园区的征途上,《中关村世界领先科技园区建设方案(2024-2027年)》部署了“路线图”,部署五方面50项重点任务,推出新一批重大政策和改革措施,将中关村打造成为北京国际科技创新中心建设跃升的主阵地、京津冀协同发展的突破口、中国高质量发展的引领者、全球创新网络的关键枢纽,切实支撑科技强国和制造强国建设。

【2024中关村论坛年会重大科技成果】

重大科技成果一:《中关村世界领先科技园区建设方案(2024-2027年)》(发布单位:工信部、科技部、北京市人民政府)

重大科技成果二:用“芯”加速AI——全模拟光电智能计算芯片(发布单位:科技部、国家自然科学基金委、清华大学)

重大科技成果三:业内瞩目精彩纷呈——人工智能取得系列成果(发布单位:科技部新一代人工智能发展研究中心、中国信息通信研究院、北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会)

重大科技成果四:驾驭激光的利器——转角氮化硼光学晶体原创理论与材料(发布单位:教育部、北京大学)

重大科技成果五:构筑量子计算“实用之路”——量子云算力集群(发布单位:北京量子信息科学研究院、中国科学院物理研究所、清华大学)

重大科技成果六:绿色能源的强大引擎——300兆瓦级F级重型燃气轮机完成总装(发布单位:国务院国资委、国家电力投资集团有限公司)

重大科技成果七:来自开源的“芯”贡献——第三代“香山”RISC-V开源高性能处理器核(发布单位:中国科学院计算技术研究所、北京开源芯片研究院);

重大科技成果八:基因改良护航粮食安全——农作物耐盐碱机制解析及应用(发布单位:中国科学院遗传与发育生物学研究所)

重大科技成果九:拓展“心有灵犀”的边界——“北脑二号”智能脑机系统(发布单位:北京脑科学与类脑研究所、北京芯智达神经技术有限公司)

重大科技成果十:重大科技基础设施取得系列国际领先成果(发布单位:国家发展改革委、科技部、国家自然科学基金委、中国科学院国家天文台、中国科学院高能物理研究所、中国科学院合肥物质科学研究院)

刷新世界纪录!薄如蝉翼的光学晶体能效提升百倍以上

在石英片上,厚度仅有1至3微米的转角菱方氮化硼晶体薄如蝉翼,能效却比传统光学晶体提升了100倍至1万倍。在4月25日举行的2024中关村论坛年会开幕式重大成果发布环节,这款世界上已知最薄的光学晶体被列为十大科技成果之一。


熔融石英上的菱方氮化硼晶体

激光技术自被科学家发明以来,已经走过了60余年的发展历程。“激光技术是我们当下科技文明的基石,在微纳加工、量子光源、生物监测等领域,激光技术都在大放光彩。”北京大学物理学院教授刘开辉表示,激光技术的突破,高度依赖于一种特殊材料——光学晶体。激光频率转换、脉冲压缩、信息处理等功能的实现,都离不开光学晶体,“可以说,光学晶体是激光技术的‘心脏’。”

如果仔细“解剖”一台激光器,能量从输入仪器到输出所需的激光,共需要经历3个环节。电能进入仪器激发产生的种子光源,分别通过特定激光晶体、光学晶体,在谐振腔内“折返跑”形成共振,最终产出各类不同功能的激光。激光器的小型化、集成化、功能化是未来激光技术发展的核心方向之一,但传统的光学晶体很难在有限厚度内高效产出激光。瞄准制备更轻薄的光学晶体这一目标,中国科学院院士王恩哥与刘开辉一起,带领团队展开了长达10余年的攻关。

他们的原材料就比别人更轻,硼、碳、氮等轻元素的相对分子质量较小,经过反复组合尝试,轻巧的氮化硼成了最优选。用其制备出的菱方氮化硼材料单层厚度为0.34纳米,仅相当于常人头发丝直径的十万分之一,部分性能却能与传统厘米级的光学晶体材料相媲美。

不过,单层的氮化硼分子无法被作为光学晶体用于激光器制造。“我们要让它长大,并沿着特定方向变厚。”刘开辉说。然而实验发现,如果只是简单把一层层的氮化硼分子像叠积木一样堆叠起来,激光穿过时会“步调不一致”,即出现相位失配现象,导致激光无法成功、高效输出。

在传统的晶体研究体系中,这一现象的出现,几乎等于宣告了这种材料的失败,只能更换新材料重新研发。但研发团队没有就此放弃,通过复杂的理论推导,他们发现了一种新的晶体设计方法——当把每块菱方氮化硼材料像拧魔方一样转动特定的角度,堆叠形成的光学晶体就能减少激光穿过的能量“内耗”,高效产出所需的激光。

“我们把这个规律总结为二维材料的界面转角理论。这是自激光技术发明以来,光学晶体理论的又一个重大原创突破。”刘开辉感慨,全新的晶体设计理论与制备方法相结合,让光学晶体成功“瘦身”,传统光学晶体厚度在毫米级到厘米级,而转角氮化硼光学晶体的厚度只有1至3微米。该理论的应用,有望在未来让激光器的尺寸缩小到毫米甚至微米级。很多曾经被认为无法制造光学晶体的材料,也可能在材料堆叠角度的转动中再次焕发生机。

在怀柔科学城,北京大学与北京市共建的轻元素量子材料交叉平台为光学晶体提供了更大的生长空间。“实验室做出的晶体直径最多只有五六厘米,要实现激光技术的产业化,就得做出更大尺寸的晶体。”刘开辉说,目前,交叉平台正在进行生产装备调试,预计未来,直径数十厘米的光学晶体将在这里蓬勃生长。

“光学晶体是激光技术发展的基石,谁掌握了光学晶体的设计理论和制备技术,谁就掌握了激光技术的未来。”王恩哥表示,超薄、高能效的转角氮化硼光学晶体,为新一代激光技术奠定了理论和材料基础。其优异的可集成性和全新的功能,未来有望在量子光源、量子通信、光子芯片、人工智能等领域实现新的应用突破。

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