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【聚焦】张江大科学装置建设者当选“上海杰出工程师”,他的心愿实现了

来源:科创上海

发布时间:2022-11-18

首届“上海杰出工程师”选树活动

近日揭晓

上海科技大学副研究员

王美晓博士榜上有名

获得“上海杰出工程师(青年)”称号


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王美晓与纳米角分辨光电子能谱装置


他曾师从中国科学院院士、上海交通大学教授贾金锋研究凝聚态物理学,入职上海科技大学后却“转行”当起了工程师,带领团队建成国内首台纳米角分辨光电子能谱装置(NanoARPES),使我国成为继美国、英国、法国、意大利后第一个建成这种先进装置的发展中国家。如今,他正在参与我国迄今为止投资最大、建设周期最长的重大科技基础设施项目,为上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)设计物质电子结构(SES)实验站。


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纳米角分辨光电子能谱装置


接到重任,正合他的心愿


NanoARPES实验站位于张江科学城,是上海同步辐射光源二期工程的组成部分,其总体性能达到国际顶尖水平。利用这个实验站,科学家可以探测各种物质的电子结构,研究量子材料和量子器件,为新一代芯片材料、高性能量子计算机的开发奠定基础。


中国科学院、复旦大学、上海交通大学、南京大学等多家科研机构和高校的科研团队已使用这个实验站,取得了重要科研进展。在开放运行不到一年时间里,实验站已经在国际知名科技期刊上发表多篇论文。


作为实验站工程项目负责人,王美晓堪称“幕后英雄”。在上海交大攻读博士期间,他在贾金锋教授指导下研究马约拉纳费米子。这种粒子是物理学家埃托雷·马约拉纳于1937年提出的预言,即存在正反粒子同体的特殊费米子。为捕获这种粒子,全球物理学家追踪了80多年。贾金锋团队利用巧妙的实验设计,率先观测到了在超导涡旋中的马约拉纳费米子踪迹,引起科学界轰动。相关论文2012年发表在国际顶级科技期刊《科学》上,王美晓是第一作者。


在追踪马约拉纳费米子的过程中,王美晓前往美国伯克利,使用美国先进光源(ALS)的角分辨光电子能谱装置(ARPES)做实验。当时,我国没有如此先进的大科学装置,做这种实验要向欧美科研机构申请。获得ALS管理机构批准后,王美晓感到很幸运,但也心生感慨:如果我国也有先进的ARPES装置,中国科学家做电子结构实验就不会有障碍了。


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王美晓团队在研制纳米角分辨光电子能谱装置


或许是命运的安排,这位青年科学家获得博士学位后,在应聘上海科技大学时接到了一项任务——研制国内首台纳米角分辨光电子能谱装置。与微米级ARPES相比,这种装置可以将光斑缩小到几百纳米的尺寸,探测到更微观的电子结构。任务虽然艰巨,但正契合了王美晓读博期间萌生的心愿,所以他欣然应允。


角色转换,也能评高级职称


2015年—2018年初,他带领团队研制出NanoARPES测试实验站。在此基础上,他们在上海同步辐射光源建造了NanoARPES实验站。2021年9月,实验站通过了中国科学院组织的工艺测试验收,其总体参数性能达到国际顶尖水平。


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上海同步辐射光源


研制这种大科学装置的难度有多大?王美晓举了一个例子:装置的一个光学元件——聚焦波带片“吹弹即破”,厚度不足200纳米,要将它安全地固定在光路上难度非常大。为此,他与机械专家等工程师多次讨论,最终确定了一个方案,把聚焦波带片稳稳地装在了NanoARPES上。


谈及从科学家到工程师的角色转换,王美晓觉得,在张江科学城做一名研制大科学装置的工程师,是他的幸运。“转行”后,他的科研论文发得少了,这对科学家来说确实是一种损失,但另一方面,他用工程科技成果填补了国内空白,让很多中国科研人员不必申请使用国外的装置,在上海张江即可利用最先进的装置探索微观世界奥秘。


令他欣喜的是,2019年夏天,他在上海科技大学晋升为副研究员(副高级职称)。“过去我有点担心:从事工程项目的大学老师在评职称时会不会吃亏?评上副研究员后,学校给我吃了定心丸。”王美晓表示,“在从事工程项目的上科大老师中,今年还有人评上了研究员(正高级职称),说明这条职称晋升之路走通了,这对我们是莫大的鼓舞。”


大国重器,投身实验站设计


如今,众多科研人员正在张江科学城建设上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE),这一“大国重器”总投资近100亿元,总长约3.1公里。


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张江科学城的光子大科学装置集群


自由电子激光是以自由电子为工作介质产生的强相干辐射,也是世界上最先进的X光光源,能发出波长0.01—0.1纳米的硬X射线,具有超高亮度、超短脉冲、完全相干性等特点。目前,全球规模最大、性能最好的这种装置,是欧洲X射线自由电子激光装置和美国直线加速器相干光源Ⅱ。SHINE的规模与它们相当,性能上各有千秋。


在这个大科学装置工程项目中,王美晓担任物质电子结构(SES)实验站的系统负责人。SES实验站处于工程设计阶段,已召开多次研讨会,听取、论证科学家提出的用户意见。“这个实验站建成后,可以开展多维度的物质电子结构探测,不但有像NanoARPES实验站这样的的实空间维度探测,还可以开展时间、自旋分辨等其他维度的探测,功能非常强大。”这位上海杰出青年工程师的话中,透着对未来“科研神器”的憧憬。


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