牛豆网以0.001纳米精度支撑造芯！同济大学用光和原子打造超级标尺|国家科技奖

项目团队成员正在操控制造“纳米标尺”的核心装置

在以集成电路为代表的先进纳米制造产业中，材料与器件的尺寸、间距、夹角等，早已进入纳米尺度。对制造者而言，能否把这些极其细微的结构测准，直接关系到后续工艺能否顺利推进，产品质量是否稳定可靠。

测得准，当然离不开精密的标尺，可当测量对象小到纳米、逼近极限，有什么方法来确保“尺子”的精度？

由同济大学牵头完成的“量子化光晶格常数的纳米计量关键技术及集成电路应用”项目，满足了这一迫切需求。通过20多年攻关，团队巧妙利用了原子量子跃迁的稳定特性，打造出皮米精确度的精密“标尺”，制造出一系列纳米级长度和角度国家标准物质，为集成电路等先进纳米制造的发展提供了有力支撑。7月8日，该项目荣获2025年度国家科技进步奖一等奖。

锚定自然常数，“长”出精密刻度

尺子的精度在于刻度，传统尺子的刻线往往靠人工划线或机械加工形成。当测量尺度进入纳米级，哪怕极微小的加工误差、环境扰动，都可能影响刻线的精度。

由同济大学牵头，联合上海御微半导体技术有限公司、中国计量科学研究院、桂林电子科技大学、上海市计量测试技术研究院组成的团队，探索出一条有别于传统“造尺”技术的创新路线。简单说，就是借助量子的物理规律，让原子在光场引导下“列队”，排出间距高度一致的纳米刻度。

项目团队以铬原子量子跃迁波长（一个物理常数）为锚点，利用光频梳将两束激光的波长锁定，让它们相向而行。当光束在空间中交汇叠加，自然就形成了一列周期恒定的驻波——某种意义上，就像一排“斑马线”，这就是该项技术的关键词“量子化光晶格”。

基于量子化光晶格常数的纳米标尺高精度制造技术示意图

按照物理学原理，量子化光晶格的格点周期（也就是“斑马线”条纹间距），恰好等于激光波长的一半。由于激光的波长已被“锚定”为铬原子量子化跃迁的波长，因此研究团队相当于用光造出了一副精密“模板”。

有了模板，“刻线”就有了依据——让被激光横向冷却、变得“安静”的铬原子穿过光晶格，经过光场引导，原子就能按“模板”的设计，在基底材料上沉积成为一排排整齐、规则的纳米刻线。由于这些刻度是按自然常数“长”出来的，能避免机器磨损等导致的漂移、偏差，具备极高的精准度和一致性。

贴近产业需求，形成底层支撑

对于先进制造而言，创新的关键是能结合场景需求，让技术不断落地，进入产业现场。

基于“量子化光晶格”的思路和方案，项目团队协力创新，研发了相应的超稳制造技术和装置，从而将技术原理“物化”为真正的纳米标尺。他们研发的系列光栅已获批5项国家一级标准物质，实测显示，其平均周期三年稳定性、样品间一致性均达到“皮米”级，而1皮米仅为1微米的百万分之一，甚至远远小于原子的大小。不仅如此，他们还在国内首次建立了纳米尺度下的“角度”标准物质。

值得一提的是，由于这把“纳米标尺”本身就具备复现“米”定义的功能，可避免传统计量因为“接力标定”而导致误差层层累积，可在产业现场一步校准、直接溯源，非常适用于“扁平化、嵌入式、小型化”的应用场景。

图为基于量子化光晶格常数制造纳米标尺的精密装置。