立夏后的烏魯木齊，草木蔥郁。在中國科學院新疆理化技術研究所（以下簡稱“新疆理化所”）晶體材料研究中心，實驗室大門緊閉，晶體正在裡面悄然生長。

前不久，一種名為氟化硼酸銨（ABF）的晶體登上國際期刊《自然》，讓這個地處祖國邊疆的研究所吸引了全球目光。ABF晶體首次實現直接倍頻真空紫外激光158.9納米輸出，創造了該領域世界最短輸出波長紀錄。

近20年來，新疆理化所光電功能晶體材料創新團隊始終堅持面向世界科技前沿和國家重大需求，創制出一大批以ABF晶體為代表的新型晶體。

“探索新晶體如同攀登無人之峰，只要明確方向、堅定信心、努力實干，終能抵達頂峰。”新疆理化所所長潘世烈對科技日報記者說，ABF晶體的創制只是邁向成功的一小步，團隊還將繼續扎根邊疆，以久久為功的定力潛心科研，薪火相傳、聚力攻關。

尋找全新晶體材料

將時針撥回到2007年初夏，已在美國西北大學開展博士后研究多年的潘世烈，收拾行囊回國，在新疆理化所開始“創業”。他心中有一張清晰的藍圖——研制新一代深紫外非線性光學晶體。

如果將激光器比作“超級手電筒”，非線性光學晶體便是筒身裡那片“魔法鏡片”，能將普通激光轉化為特殊波長的超強光束，為高端科研裝備、精密激光制造等領域提供新一代核心光源。

長期以來，找到具有“大帶隙、強非線性光學效應、高雙折射、易生長”等苛刻性能的新晶體，是世界性難題。

近幾十年來，全球科學家試了上百種材料，始終找不到兼具多重優異性能的材料。

“大部分晶體材料的探索，都停留在個別元素的替換上，未能實現材料本質的突破。”潘世烈和團隊成員認為，必須突破原有策略，尋找一種全新材料。

化學元素周期表中有上百個元素，如何找到最適合的那一個？

潘世烈將元素周期表張貼在每個人的工位前，時不時來一場集體頭腦風暴，篩選每個潛在的“優勢基因”。

有一次，潘世烈將目光鎖定在元素周期表最右上角的“氟”元素上。

盡管這種電負性最強的元素未被引入晶體領域，但潘世烈發現，氟原子能在硼酸銨材料中發揮微妙的平衡作用。

氟元素的“橫空出世”，讓團隊信心倍增。按照“氟化設計及性能調控”新思路，他們像“搭積木”一樣，精准調整原子排列。

新疆理化所研究員楊志華告訴記者，理念有了，還需大量實驗驗証。早期計算機算力不足，計算一個化合物的有效性要花半年時間。

“心裡很著急，但還是得沉下心一點點計算。”楊志華說。后來團隊不斷加強算法，效率大幅提升，時間縮短到幾小時甚至幾分鐘。

經過大量的計算機模擬實驗，氟化硼酸銨晶體的有效性得到驗証，有望成為理想的非線性光學晶體。

讓晶體“長出來”

晶體材料初步鎖定，潘世烈團隊突破了第一道關卡。接下來，就是要讓晶體“長出來”。

2010年，從事無機化學研究的張方方加入團隊，承擔起晶體制備的重任。

缺少參考文獻、沒有現成工藝，科研團隊不光要根據材料特性摸索制備方法，就連反應釜都要自己畫圖紙定制。

張方方告訴記者，與常規晶體不同，氟化硼酸銨晶體的生長體系呈現氣—液—固多相、多組分的復雜狀態，生長難度極大。

研究團隊基於晶體物化特性，開發並優化了氣相沉積法。與溶液法等常規的晶體生長方法相比，新方法規避了高硼含量所帶來的大黏度結晶困難，無需超高真空環境與載氣輸送系統，在自生壓力下，即可形成獨特的固—液—氣三相體系。

摸清了材料本身的“秉性”，接下來就是漫長的實驗過程。在封閉的反應釜中，溫度、壓力等參數都會影響結晶成敗。

張方方說，每次將原料封入反應釜，都像埋下一個期待。臨開釜的那一刻，心都提到嗓子眼。然而大多數時候，迎接他們的都是不成形的晶體。

“失敗了沒關系，清洗反應釜，調整參數，再次實驗。”張方方告訴記者，晶體制備的關鍵階段有時恰好在凌晨，熬夜值守便成了常態。

近十年的科研攻關，歷經成百上千次的實驗，2016年，潘世烈團隊首次成功合成毫米級ABF晶體，讓深紫外晶體材料波長突破至200納米以下。

“十年磨一晶”，團隊對晶體的探索並未止步。

“晶體沒有加工成器件，我們的研究就沒有成功。”潘世烈激勵大家，再用一個十年，讓ABF晶體從毫米級邁向厘米級。

走向應用場

從毫米級到厘米級，又是一次“從0到1”的科研攻關。

“溶液溫度、降溫速度、攪拌方式、種晶大小、溶劑純度等，任何一個微小的參數變化，都決定晶體生長的成敗。”張方方說，有時候一塊晶體好不容易突破厘米級，看上去也光潔透明，卻在冷卻過程中突然出現裂紋，整塊報廢。

有時長出的晶體看似完美，但在光學測試中會暴露肉眼看不到的缺陷。這會導致折射率不均勻、透過率下降，只能忍痛舍棄。張方方回憶，十多年來，扔掉的“失敗品”足夠裝滿一整櫃。

為盡快突破晶體生長瓶頸，潘世烈走訪國內各大科研院所和企業，多方吸納急需人才。

“科研人員幾乎整天都待在實驗室，透過設備觀察窗口察看晶體生長變化。”張方方說，“有時候半夜回到家，睡了一會兒還是不放心，又跑回實驗室。”

實驗本上一次次“失敗”的記錄，成了最寶貴的參考書。

根據數十年積累的海量數據，科研團隊不斷優化工藝篩選優勢晶核，克服了晶體層狀生長習性。2024年，厘米級尺寸的ABF單晶終於成功創制，晶體“長大”難題一舉攻克。

有了大尺寸晶體，團隊又開始向器件加工發起攻關。由於非線性晶體的特殊結構，現有器件不能拿來就用。

團隊依托系統性試驗優化，自主研發出一套完整適配ABF晶體的器件加工工藝，實現了從單晶材料到實用化器件的關鍵跨越。

不久后，在新疆理化所激光實驗室，ABF晶體器件迎來測試。隨著特定的激光束入射晶體，新的世界紀錄誕生了，大家不約而同歡呼起來。

“成了，新晶體做成了！”扎根邊疆近20年，潘世烈兌現了自己的承諾。

面向未來，潘世烈充滿信心：“團隊將加快推進ABF晶體的工程化制備和激光集成技術研究，攻關更短波長、更大能量、更高功率的激光輸出技術，持續優化綜合性能，為高端科研裝備與先進制造領域提供關鍵材料和器件支撐！”