【为“中国芯”炼一炉“纯硅”——核理化院硅-28同位素攻关纪实】
6月15日,记者从核工业理化工程研究院了解到,我国科学家在稳定同位素富集与高纯硅制备领域取得关键性突破——首次成功实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产,产品关键指标达国际先进水平。
这项成果由中核集团旗下中国原子能工业有限公司所属核工业理化工程研究院(以下简称“核理化院”)研发,将为我国硅基量子计算核心材料的自主研制以及先进制程半导体、高端导航、计量基准等前沿科技领域高质量发展提供坚实支撑。
据了解,硅-28作为硅的稳定同位素,因原子核自旋为零、可极大降低量子计算中的环境噪声干扰,被誉为“世界上最纯净的硅”,是硅基量子芯片不可或缺的核心材料。近年来,核理化院持续攻关,将天然高纯硅材料中硅-28丰度从92.25%提升至99.99%,并实现这一材料的公斤级量产,为国产量子计算铸就最坚实的材料基石。这一突破背后,是一场跨越物理、机械、控制等多学科的极限攻关。近日,记者走进核理化院,探访这项科研攻关几十年磨一剑的故事。
打破海外垄断,让“中国芯”用上国产“高纯硅”
“在制造量子芯片的硅材料中,包含着硅-28、硅-29、硅-30三种稳定同位素,其中,硅-28同位素含量,直接影响着芯片的运算性能和使用寿命。”核理化院稳定同位素技术研发中心蔡伟告诉记者,长期以来,全球仅有极少数国家具备超高丰度硅-28材料的规模化生产能力,其每克价格是黄金的数倍,采购和应用均受到诸多限制,供应链安全面临严峻挑战。核理化院超高丰度硅-28同位素的成功自主研发,打破了国外技术垄断,填补了我国在该领域的空白,为我国前沿科学研究和高端产业发展提供了关键材料保障,对支撑我国半导体、精密计量等领域的自主创新发展具有重要意义。
“目前,我们已与相关大学、科研院所及企业开展深度对接,并向合作单位寄送样品开展性能测试。”稳定同位素技术研发中心负责人颜明介绍,该中心量产的硅-28产品,品质已达到进口同类产品水平,随着后续产能规模化释放,成本还有进一步下降空间,这将大幅降低量子计算与高端半导体领域的研发成本,加速国产高端同位素材料的产业化应用进程。届时,更多国内企业用上国产超高丰度硅-28,将在降本增效中跑出新的“加速度”。
向“无人区”前进,敢于啃下“硬骨头”
“硅-28与硅-29如同原子层面的‘双胞胎’,物理化学性质高度相似,使得二者的分离难度呈指数级上升。”核理化院相关负责人在介绍时,将这一过程形象地比喻为“黄米里面挑小米”。其间每一步工艺都在挑战物理与工程的双重极限,需要用极致的工程精度,在原子维度书写看似不可能的技术突破。“唯有直面这些物理与工艺的壁垒,以硬核技术攻关,才能打破海外垄断,实现关键战略材料的自主可控。”
豆丹丹是科研团队的一名90后,也是项目攻关期间一位特殊的“背奶妈妈”。2024年她迎来了自己的宝宝,彼时正值设备运行调试与样品试制的吃紧阶段,技术路线尚未定型。看着工作群里昼夜不息的讨论,她在家里坐不住了——一边线上参会跟进进度,一边查阅文献、琢磨技术方案。到了系统联调的关键期,几百台设备一旦启动便不能轻易暂停,她常常忙到忘了给宝宝储备“口粮”。“我们做的事,是在为国家抢占量子计算的战略先机,”她说,“这份荣誉里,也有我孩子的‘贡献’。”
多年来,核理化院项目团队持续推动稳定同位素技术的工程化与产业化,截至目前已创造了钼-100、锗-76、镍-64、碲-130等多个稳定同位素的“国内首次”研发成功,全力支撑我国稳定同位素产业自主发展。在此过程中,广大青年科研工作者挺膺担当,奋勇争先,用青春热血将一个个不可能变成现实。
稳定同位素技术研发中心负责人颜明介绍,攻关期间团队专门成立了党员突击队、青年突击队,以党建带团建,筑牢思想堡垒,为项目提供不竭的力量源泉。豆丹丹则把这份事业归结为一份家国情怀——正是这份信念,支撑她和团队战胜重重挑战,圆满完成使命。
眼下高考刚结束,豆丹丹也想对即将步入大学的年轻人说句话,“今后的工作难免遇到迷茫和瓶颈,唯有把个人兴趣与国家需求结合起来,才能在日复一日的坚守中找到意义。”(“学习强国”记者马英娟)