今天，由同济大学物理科学与工程学院程鑫彬教授领衔完成的项目“量子化光晶格常数的纳米计量关键技术及集成电路应用”荣获2025年度国家科学技术进步奖一等奖。历经二十余年攻关，项目团队制造出一系列纳米级长度和角度国家一级标准物质，为集成电路等纳米制造领域提供了用于仪器校准与标定的“精准标尺”。
计量是测量的科学及应用。只有测得出，才能造得出；只有测得准，才能造得精。纳米计量是实现纳米制造准确性的前提和保障。项目团队抓住国际单位制（SI）量子化变革的机遇，发明了量子化光晶格常数的纳米计量技术，缩短了纳米计量传递链，提升了扁平化水平，更适用于解决产业应用问题。
基于量子化光晶格常数的纳米标尺高精度制造技术
让“冷原子”精准有序排列
一把精准的量子化纳米标尺，其刻度归根结底由原子构成。原子在固定位置，只有排列得越整齐，刻度才越精准，纳米标尺就越准确。可是，如何让亿万个原子准确均匀一致地排列到量子化常数的固定位置上呢？
项目团队创新采用了“量子化光晶格”技术。“量子化”，源于铬原子在真空中的量子跃迁波长——天然的量子化纳米常数。利用光频梳把激光锁定在这个量子化波长上，两束相向而行的激光便在空间中叠出一列明暗相间、周期恒定的驻波，这就是“量子化光晶格”——宛如一副用光铸成的“模具”，格点周期（即晶格常数）恰好等于量子化激光波长的一半，与铬原子的量子化跃迁波长这一自然常数牢牢“锁定”。
随后，经激光横向冷却而“安静”下来的铬“冷原子”穿过光晶格，被光场逐一引导、落位到格点之上，在基底上生长出一排排整齐的刻线。刻度不是机器刻出来的，而是原子照着自然界常数这张“图纸”自己“站”出来的——机器会磨损、会漂移，但自然界常数不会，因此刻度天然就是精准的、一致的。
基于量子化光晶格常数制造纳米标尺的精密装置
基于上述原理，项目团队创建了量子化光晶格物化为直接溯源光栅标准（纳米标尺）的超稳制造技术和装置，系列光栅获批5项国家一级标准物质。纳米长度标准物质的三年长期稳定性、样品间一致性均达到皮米量级（千分之一纳米）水平，还首次建立了我国纳米尺度下的角度标准物质。精准的“纳米标尺”可为集成电路等先进纳米制造的校准与标定提供有力支撑。
让“纳米标尺”直达产业现场
传统纳米计量为纳米制造产业提供校准和标定，需要多级的量值传递，好比一场“接力赛”，每“接力”一次，累积误差就会增加。量子化光晶格常数铸出的“纳米标尺”，是具备复现“米”定义功能的标准物质，无需层层“接力”，可以实现产业现场一步校准、直接溯源，更适用于“扁平化、嵌入式、小型化”等现场应用需求强的场景。该成果作为核心技术之一，支撑实现“我国首批高端仪器装备计量测评装置研制成功”。
2024年1月，经国家市场监督管理总局批准，以同济大学为主体的“国家集成电路微纳检测设备产业计量测试中心（上海）”正式启动筹建，成为全国集成电路领域首批获批筹建的国家级产业计量测试中心之一；研究团队也获评首批“国家级计量创新团队”。伴随着国际计量学界“计量单位量子化”与“量值传递扁平化”的发展趋势，项目组基于量子化光晶格常数为纳米制造铸造的“精准标尺”，作为支撑先进纳米制造的质量基础和共性关键技术之一，将不断迸发蓬勃生机，有力支撑纳米制造产业高质量发展。
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