霍耳效应是 1879年美国物理学家霍耳（Edwin Hall）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以电流，沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面产生了电势差。后来这个效应广泛应用于半导体研究。一百年过去了。1980年一种新的霍耳效应又被发现。这就是德国物理学家冯·克利青从金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的量子霍耳效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，把MOSFET管放到强磁场和深低温下，证明霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍耳电阻等于RH＝h/i·e2，其中i是正整数1，2，3，……，这一发现是20世纪以来凝聚态物理学、各门新技术（包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等）综合发展以及冯·克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。
从50年代起，由于晶体管工业的兴盛，半导体表面研究成了热门课题，半导体物理学中兴起了一个崭新领域——二维电子系统。1957年，施里弗（J.R.Schrieffer）提出反型层理论，认为如果与半导体表面垂直的电场足够强，就可以在表面附近出现与体内导电类型相反的反型层。由于反型层中的电子被限制在很窄的势阱里，与表面垂直的电子运动状态应是量子化的，形成一系列独立能级，而与表面平行的电子运动不受拘束。这就是所谓的二维电子系统。当处于低温状态时，垂直方向的能态取最低值——基态。
由于半导体工艺的发展，60年代初出现了平面型硅器件，用SiO2覆盖硅表面制成了硅MOSFET管，为研究反型层的性能提供了理想器件。改变MOSFET的栅极电压可以控制反型层中的电子浓度。
1966年，美国 IBM公司的福勒（A.B.Fowler），方复（F.F.Fang），霍华德（W.E.Howard）与斯泰尔斯（P.J.Styles）用实验证实了施里弗的理论预见。他们把P型硅作为衬底的MOSFET放在强磁场中，在深低温下测源极与漏极之间的电导。改变栅压VG，测出的电导呈周期性变化，有力地证实了二维电子系统的存在。
这个实验激起了物理学家的浓厚兴趣，使二维电子系统成了国际上普遍重视的研究对象。70年代中期，日本东京大学年轻的物理学家安藤恒也（T.Ando）和他的老师植村泰忠（Y.Uemura）从理论上系统地研究了二维电子系统在强磁场中的输运现象，对二维电子系统的霍耳效应作了理论分析。与此同时，世界上有好几个机构在进行有关二维电子系统的实验工作，其中尤以冯·克利青所在的维尔茨堡大学最为积极。
冯·克利青1943年6月28日出生于波森（Posen）的叙罗达（Schroda），德国国籍，1962年进入布朗许瓦格（Braunschweig）技术大学攻读物理。他利用假期到联邦技术物理研究所（PTB）的半导体实验室做学生工，在那里他认识了著名的物理学家兰德威尔（G.Landwehr）教授。冯·克利青在工作中丰富了实践经验，开拓了视野，并且对精密测量的重要性有了很透彻的认识，因为联邦技术物理研究所实际上是负责精密计量标准的科研机构。1969年，冯·克利青在凯斯勒（R.Kessler）教授的指导下完成了题为“用光衰减法测量锑化铟中的载流子寿命”的硕士论文。接着跟随兰德威尔教授到维尔茨堡大学物理研究所，在兰德威尔指导下当博士研究生。兰德威尔安排他研究强磁场和液氦温度下处于量子极限的Te单晶的输运特性。在这项研究中冯·克利青发现了所谓的“磁致不纯效应”（magneto-impurity effect）。1972年冯·克利青以优异成绩得博士学位，并留在维尔茨堡大学，当兰德威尔教授的研究助手。
兰德威尔教授专门从事半导体输运特性的研究，是联邦德国开展二维电子系统研究的先驱。他们跟西门子公司的研究组有密切联系，而西门子公司在硅MOSFET管的制作上有丰富经验，可以为他们提供高质量的产品以供试验。1976年维尔茨堡大学又新添置了超导磁体（采用Nb3Sn和 NbTi线圈），磁场可达14.6T，为精密测量霍耳电阻作好了物质准备。
冯·克利青早在当学生工时就熟悉了强磁场技术，不过那时用的是脉冲式强磁铁，采用高压电容放电，铜线圈用液氮冷却，冯·克利青曾对线圈进行过校准。
在研究二维电子系统的过程中，冯·克利青和他的合作者恩格勒特（T.Englert），以及研究生爱伯特（G.Ebert）都曾在霍耳电阻随栅极电压变化的曲线上观察到平台。日本人川路绅治也报导过类似的现象。在1978年中已有多起文献记载了这一特性，当时并没有引起人们的重视，只有冯·克利青敏锐地注意到并作了坚持不懈的研究。
他发现 MOSFET的霍耳电阻按 h/e2的分数量子化是在 1980年2月5日凌晨。那时他正在法国格勒诺勃（Grenoble)的强磁场实验室里测量各种样品的霍耳电阻。这个实验室是马克斯·普朗克固体研究所与法国国家研究中心（CNRS）联合建设的，1978年由兰德威尔教授担任实验室主任。恩格勒特随他一起来到格勒诺勃，从事二维电子系统的研究。1979年秋，冯·克利青也来参加。他们拥有一台强达 25 T的磁场设备，比别的地方强得多，得到的霍耳平台也显著得多。他们测量的所有样品都显示有同样的特征，i=4的平台霍耳电阻都等于6450 Ω，正好是 h/4e2。这个值与材料的具体性质无关，只决定于基本物理常数h与e。
对于这件事，冯·克利青自己曾说过：“量子霍耳效应的真谛并不在于发现霍耳电阻曲线上有平台，这种平台在我的硕士生爱伯特1978年硕士论文时已发现，只是那时我们不了解平台产生的原因，也没有给出理论解释。我们那时只认为材料中的缺陷严重地影响了霍耳效应。这些结果已经公开发表，大家也都知道，并且大家都能重复。量子霍耳效应的根本发现是这些平台高度是精确地固定的，它们是不以材料、器件的尺寸而转移的，它们只是由基本物理常数h和e来确定的。”
当有人问冯·克利青，量子霍耳效应是不是一个偶然的发现？他解释说量子霍耳效应作为一个普遍规律而存在的重大想法是在1980年2月5日凌晨突然闪现出来的，但它是基于长期研究工作之后的一个飞跃。“通过测量大量的不同样品，才第一次可能认识这样一种特殊的规律，而这种平凡重复的测量简直弄得我们感到乏味，我们反复变化样品，变化载流子浓度，将磁场从零扫描到最大……。终于我们发现了这样的特殊规律，所以这一结果的取得是长时间努力工作的结果，这些测量的曲线无时不在我的脑子里盘旋着，反复思考着。”
冯·克利青发现量子霍耳效应的确不是偶然的。除了他执着的追求、顽强的探索精神之外，还要归功于他所处的环境。他所在的维尔茨堡大学有着非常良好的学术气氛，对他的研究大力支持，正如他自己所说，“这里既没有研究经费方面的困难，也没有来自行政的干扰，因此我们总是把眼光盯在最高目标上。”与工业界的合作也是他成功的一项重要因素。
量子霍耳效应是继1962年发现的约瑟夫森效应之后又一个对基本物理常数有重大意义的固体量子效应。冯·克利青从一开始就意识到这一点。当他确定霍耳平台的阻值是h/e2的分值时，就主动询问联邦技术物理研究所的电气基准部对 h/e2的精确测定有没有兴趣。答复是如果能达到高于10-6的精度就很感兴趣。可是在格勒诺勃精确度仅为1%。于是冯·克利青马上返回维尔茨堡，用那里的超导线圈继续试验，不久就达到了 5×10-6，证明霍耳电阻确实是 h/e2的分值。于是他写了一篇通讯给《物理评论快报》，题为“基于基本常数实现电阻基准”。没有料到，文章被退回，因为该刊编辑认为精确度不够，精确测量欧姆值需要更高的精确度。于是，冯·克利青转向精细结构常数，将论文改写为“基于量子霍耳电阻高精度测定精细结构常数的新方法”，量子霍耳效应第一次公开宣布，得到了强烈反响。
1981年，在第二届精密测量与基本常数国际会议上，冯·克利青进一步从理论上论证量子霍耳效应的普遍性，还总结了各种不同类型的硅MOSFET管在强磁场和深低温下测到的霍耳电阻数据，得：
h/e2=25812.79±0.04Ω（1.5ppm）
并且预言，如果再增大磁场和降低温度，不确定度可小于0.1ppm。
在1986年的平差中，霍耳电阻RH取六个最新测量结果的平均值，得
RH=25 812.8461（16）ΩBI85（0.062ppm）
其中ΩBI85表示国际计量局（BIPM）1985年1月1日标定的欧姆基准值，1ΩBI85=0.999 998 437（50）Ω。
由此可得精细结构常数α的倒数为α-1（Ω/ΩBI85）＝137.036 2044（85）或α-1＝137.035 990 2（85），不确定度为 0.062ppm。这样推算出来的α-1值与 1986年平差结果
α-1＝137.035 989 5（61）（0.045ppm）
精确吻合。
量子霍耳效应具有如此之高的精确性和复现性，对于计量工作者的确是一件很值得欢迎的好事。因为如果能够根据量子霍耳效应来定义欧姆，又能够根据约瑟夫森效应来定义伏特，就可以组成一对以基本物理常数为基础的电学基准，使电学单位从实物基准向自然基准过渡。
国际计量委员会下属的电学咨询委员会（CCE）在1986年的第17届会议上决定：从1990年1月1日起，以量子霍耳效应所得的霍耳电阻RH＝h/e2来代表欧姆的国家参考标准，并以约瑟夫森效应所得的频率-电压比f/UJ来代表伏特的国家参考标准。
1988年CCE第18届会议正式建议将第一阶（I＝1）霍耳平台相应的电阻值定义为冯·克利青常数，以RK表示，并通过了如下决议：
“国际计量委员会……考虑到——大多数现有的实验室所拥有的电阻参考标准随着时间有显著变化，——基于量子霍耳效应的实验室电阻参考标准是稳定的和可复现的，——对大多数新近的测量结果作的详尽研究得到的冯·克利青常数值RK，也就是说，量子霍耳效应中的霍耳电势差除以相当于平台i=1的电流所得的值为 25 812.807 Ω，——量子霍耳效应以及上述RK值，可以用来建立电阻的参考标准，相对于欧姆，它以一个标准偏差表示的不确定度估计为2×10-7，而其复现性要好得多，因此建议——精确地取 25 812.807Ω作为冯·克利青常数的约定值，以RK-90表示之，——此值从 1990年1月1日起。而不是在这以前，由所有以量子霍耳效应为电阻测量标准的实验室使用，——从同一日期开始，所有其它实验室都将自己的实验室参考标准调整为与RK-90一致。并主张——在可预见的未来无需改变冯·克利青常数的这个推荐值。”
这项决议已得到国际计量委员会的批准，并公布执行。于是，从1990中1月1日起，世界各国有了统一的国家电阻标准。这个新的标准是以量子霍耳效应为基础，容易复现，不会随时间变化。
有必要指出，目前只是由量子霍耳效应获取电阻的实用参考基准，而不是对国际单位制中的欧姆给出新的定义。因为欧姆和伏特一样，在国际单位制中都是导出单位，如果另给它们下定义，就必然与安培的定义，μ0的精确值乃至能量、功率等力学量及千克质量基准的规定不相容。尽管如此，目前的决定在基本物理计量史上仍然是继秒和米的新定义后的又一有重大意义的事件。
从1990年1月1日起，还有一个重要的电学量给定了新的标准，这就是电压。新的电压标准是建立在约瑟夫森效应的基础上的。约瑟夫森效应也是一种发生在凝聚态中的量子效应，也是高度精确的。约瑟夫森由于发现了这一效应已于1973年获得了诺贝尔物理学奖。
K. Von Klitzing，G. Dorda，M. Pepper于1979年发现，霍尔常数（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）是量子化的，RH＝V/I＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。这种效应称为整数量子霍尔效应。进而,AT&T的D. Tsui、H. Stormer和A.Gossard发现，随着磁场增强，在v＝1/3,1/5,1/7…等处，霍尔常数出现了新的台阶。这种现象称为分数量子霍尔效应。
R. Laughlin 给出了解释，他认为，由于极少量杂质的出现，整数v个朗道能级被占据，这导致电场与电子密度的比值B/ρ为h/ev，从而导致霍尔常数出现台阶。他还指出，由于在那些分数占有数处，电子形成了一种新的稳定流体，正是这些电子中的排斥作用导致了分数量子霍尔效应。
【新智元导读】 2月25日，清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速光源「稳态微聚束」的首个原理验证实验。与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。
最现代的研究用光源是基于粒子加速的。
这些都是大型设施，电子在其中被加速到几乎是光速，然后发射出具有特殊性质的光脉冲。
在基于存储环的同步辐射源中，电子束在环中旅行数十亿转，然后在偏转磁体中产生快速连续的非常明亮的光脉冲。
相比之下，自由电子激光器(FEL)中的电子束被线性加速，然后发出单次超亮的类似激光的闪光。
近年来，储能环源以及FEL源促进了许多领域的进步，从对生物和医学问题的深入了解到材料研究、技术开发和量子物理学。
现在，一个中德团队证明，在同步辐射源中可以产生一种脉冲模式，结合了两种系统的优点。
2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在Nature上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（ Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching ）的论文。
报告了一种新型粒子加速光源「稳态微聚束」（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。
该研究与极紫外（EUV）光刻机光源密切相关，有望为EUV光刻机提供新技术路线。
SSMB光源首个原理验证实验，中德团队登上Nature
同步辐射源提供短而强烈的微束电子，产生的辐射脉冲具有类似于激光的特性（与FEL一样），但也可以按顺序紧密跟随对方（与同步辐射光源一样）。
大约十年前，斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授、著名加速理论家赵午和他的博士生Daniel Ratner以提出了「稳态微束」（SSMB）。
赵午教授
该机制还应该使存储环不仅能以高重复率产生光脉冲，而且能像激光一样产生相干辐射。
来自清华大学的青年物理学家邓秀杰在他的博士论文中提出了这些观点，并对其进行了进一步的理论研究。
2017年，赵午教授联系了HZB的加速物理学家，他们除了在HZB *** 作软X射线源BESSY II外，还在PTB *** 作计量光源（MLS）。
MLS是世界上第一个通过设计优化运行的光源，在所谓的 「低α模式 」下运行。
在这种模式下，电子束可以大大缩短。10多年来，那里的研究人员一直在不断开发这种特殊的运行模式。
HZB的加速专家Markus Ries解释说：「现在，这项开发工作的成果使我们能够满足具有挑战性的物理要求，在MLS实证确认SSMB原理」。
「SSMB团队中的理论小组在准备阶段就定义了实现机器最佳性能的物理边界条件。这使我们能够用MLS生成新的机器状态，并与邓秀杰一起对它们进行充分的调整，直到能够检测到我们正在寻找的脉冲模式」，HZB的加速物理学家Jörg Feikes说。
HZB和PTB专家使用了一种光学激光器，其光波与MLS中的电子束在空间和时间上精确同步耦合。
这就调制了电子束中电子的能量。
「这使得几毫米长的电子束在存储环中正好转了一圈后分裂成微束（只有1微米长），然后发射光脉冲，像激光一样相互放大」，Jörg Feikes解释道。
「对相干态的实验性探测绝非易事，但我们PTB的同事开发了一种新的光学检测装置，成功地进行了探测。」
SSMB概念提出后，赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。
2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。
揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步，是在真实机器上演示其机制。在新的论文中，研究人员报告了SSMB机制的实验演示。
SSMB原理验证实验示意图
实验表明，存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米级的微束和相干辐射，由1,064纳米波长激光器诱导的能量调制后一个完整的旋转。
结果验证了电子的光相可以在亚激光波长的精度上逐次相关。
SSMB原理验证实验结果
在这种相位相关性的基础上，研究人员通过应用相位锁定的激光器与电子轮流相互作用来实现SSMB。
该图示直观地展示了如何通过激光调制电子束来产生发射激光的微束，是实现基于SSMB的高重复性、高功率光子源的一个里程碑。
有望解决EUV卡脖子难题
没有顶尖的光刻机，是我国半导体行业发展的最大瓶颈。
光刻机的曝光分辨率与波长直接相关，半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻。
大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。
EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上「雕刻」电路，最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类 科技 发展的顶级水平。
而昂贵的EUV光刻机也正是实现7nm的关键设备，目前，荷兰ASML是全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商，而由于禁令，我国中芯国际订购的一台EUV仍未到货。
如果中国大陆无法引入ASML的EUV光刻机，则意味着大陆将止步于7nm工艺。
目前ASML公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长13.5纳米的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。
SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。它们产生的类似激光的辐射也超出了 "光 "的可见光谱，例如在EUV范围内，最后阶段，SSMB源可以提供一种新的辐射特性。脉冲是强烈的、集中的和窄带的。可以说，它们结合了同步辐射光的优势和FEL脉冲的优势。
可以说，基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。
EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。
关于作者
本文的通讯作者唐传祥教授是清华大学的博士生导师。
1992年9月－1996年3月，考入 清华大学工程物理系硕博连读。1996年3月获得工学博士学位， 博士学位论文为“用于北京自由电子激光装置的多腔热阴极微波电子q的研究”。
1996年4月获得博士学位后，留校工作。
1996年7月 1998年6月期间，作为访问学者到德国DESY工作2年。在DESY工作期间，主要进行超导加速结构的优化及测量研究，并与J. Sekutowicz, M.Ferrario等合作提出了Superstructure的超导加速结构。
1998年6月回国后，继续在清华大学从事加速物理、高亮度注入器、汤姆逊散射X射线源、自由电子激光、新加速原理与新型加速结构、电子直线加速关键物理及技术、加速应用等方面的研究。
参考资料：
https://phys.org/news/2021-02-reveals-options-synchrotron-sources.html
https://news.tsinghua.edu.cn/info/1438/84915.htm
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