导读：西湖大学物质科学公共实验平台表面物理实验室是于2018年开始筹划并正式搭建。它是以真空互联大型科学装置为核心基础，以共享设备为创建理念，贯彻西湖大学“小而精”的办学方针，坚持“以人为本”的服务理念，自建设伊始在科研支撑和技术研发方面都取得了长足的进展。今年西湖大学理学院何睿华课题组发表了西湖大学物理系自创系以来的首篇刊登在nature正刊上的研究成果，其实验过程与西湖大学物质平台真空互联系统密不可分。下面让我们借此一道去认识和领略这里极具先进性和前瞻性的真空互联设备及它巨大科研价值与潜力。
一、共享设备的运营思路
《论语》有云：“工欲善其事，必先利其器”。在许多以实验为主的科学研究领域中，对于高精端实验设备的需求与日俱增。以凝聚态实验物理和材料科学等学科为例，样品的生长经常用到的分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）、脉冲激光沉积（PLD）等常见设备屡见不鲜。而样品制备好后，往往需要各种分析测试设备去表征和探索样品的结构与物性。常见的这类设备有：
1、形貌表征：原子力显微镜、扫描隧道显微镜、扫描透射电镜，球差电镜等；
2、原子结构：低能电子衍射、反射式高能电子衍射、X射线衍射等；
3、化学分析：X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、二次离子质谱等；
4、原子/电子态：电子能量损失谱、紫外光电子谱、红外谱、拉曼谱，角分辨光电子能谱等。
以上设备分类明确，专业性强。一个课题组或者研究室往往根据自身需要，通常会保有一套或多套设备。但是想在同一个题组或者研究室同时保有以上全部设备显然是不现实的。理由如下：
1、越是精密、高端的实验设备造价越为昂贵，尤其国外进口设备还有相当长时间的采购周期。这使得不少课题组，尤其是刚组建不久的课题组因经费问题望而却步；
2、每个课题组因为具体课题的需求对于不同仪器的使用程度会有所不同。譬如一家专门做STM相关的课题组可能全年大部分的时间会和STM打交道，但是也会极其偶尔用到XRD、TEM和PPMS等手段进行补充表征。如果课题组自己购买这3台设备来使用，设备的开机率将会极低，大部分的时间里这两台设备会处于“吃灰”状态，有暴殄天物之嫌；
3、每台实验设备都有着自己的秉性和脾气，因此想要保证设备长时间处在正常运行状态，运行维护的成本必然不低。一旦运行出现了故障，无论是设备硬件乃至实验课题进度必将受到极大的影响；
4、对于一台新的仪器设备，课题组需要有经验丰富、技术精湛的专业人士操作、培训和指导方能发挥其最大作用。而对于以研究实验现象而非实验仪器本身的大多数课题组来说，确实没有必要在仪器设备的最大化开发方面投入太多的人力成本。
由此，共享仪器设备的运营思路也就应运而生了，它完美地解决了上述提到的诸多问题。它通常以高校、研究院所甚至省市为单位筹划，持续的加大的投入力度能够支持同时采购多种多样的实验设备。应有尽有，百花齐放。
西湖大学物质科学公共实验平台
对于单独课题组而言，如果想临时或者短期使用某一设备，大可以前往这类共享仪器实验室/站，依据自身需求选择合适的测试设备进行测试。尽管用户对于该测试技术并不是很熟悉，但实验室/站会有专业技术人员在旁给予指导、培训和帮助，这会使得样品测试成功率大大提升，从而得到用户满意的数据。
对于长期的课题，开放式的共享仪器也能给用户提供极大的帮助。总所周知，长期实验课题最重要的是仪器设备的稳定，而这方面的运营管理则由共享仪器实验室/站负责。设备的日常管理、检修、维护，零部件的更换和增添等所消耗的时间和人力成本，以及相应的风险都由共享仪器实验室/站来承担。用户只需遵守实验室/站各项指标规定，排除杂念，一心扑在实验本身即可。
此外，共享仪器实验室/站的实验专职技术人员都是经精挑细选、层层考核入围的专业技术人才。他们丰富的实验经验和高超的实验手段是一定能够有效地帮助用户解决实验需求，完成实验问题的。高精端的先进实验设备固然重要，但归根结底取得良好数据还是要依靠人的努力。优秀的实验技术人员会尽自己最大努力，最大化发挥出实验设备功效，取得最好的实验数据。
当前西湖大学物质科学公共实验平台就是响应浙江省大型科研仪器开放共享平台（浙里仪器共享平台）的号召，依托于我国冉冉升起的由社会力量举办，国家重点支持的新型研究性高校——西湖大学而打造的共享实验设备平台，自创立伊始已经走过了近6个年头。六年来，西湖大学物质科学公共实验平台秉承“先进、科学、创新”理念，聚焦服务于物质科学前沿领域中能源、环境、生物医药材料等相关的研究，辅以大型共享设施与设备和资深专业人才，提供整体系统的表征分析技术支撑。该平台重点密切围绕西湖大学物质科学相关学科的建设方向，在形貌表征、结构分析、表面分析、成分分析、磁电物性、热力光综合性能表征和材料制备等多个领域配备了系列高端的先进设备。目前平台拥有超高真空互联系统（集成有STM、Laser-ARPES、XPS、OxMBE、PLD）、单晶/薄膜/粉末XRD、PDF、PPMS、MPMS、稀释制冷机、SEM、AFM、激光导热仪、流变仪、动态光散射仪、浮熔区单晶生长炉等多种尖端科研设备，并配有经验丰富的高水平专业人才。不但兼顾常规分析表征的研究需求，更能够追踪学科前沿，不断进取，为当今世界最前沿的基础科学研究提供良好的表征支撑。
二、真空互联的理念
在许多以实验为主的科学领域中，实验对象样品的高质量制备和精确化表征是两大亘古不变的主题。在一套完整体系的研究项目中，二者往往密不可分，相辅相成。请设想这样的场景，实验者辛辛苦苦在某一超高真空样品制备设备生长出所需样品，但是需要将该样品放入其他样品表征设备中进行进一步的测试与研究。如果将样品直接拿出暴露在空气环境下，极有可能样品受到水、氧和灰尘等的污染，这样就给接下来的分析测试带来了极大的不便。为避免样品在上述转移过程中受到污染，传统的办法主要包括以下2个方面：
1、在样品取出到空气环境下之前，原位蒸镀一些保护层，该保护层在样品拿出来后会起到隔绝大气的作用。但是这些保护层需精心设计，避免其对样品本身结构和性质有所影响。此外有些保护层还需考虑能够随时被剔除，以便能够轻松地暴露出样品本来面目而进行进一步相关测试；
2、采用真空转移腔转移样品。该真空转移腔需要配有泵组和真空规，能够独立维持较好的真空。并且需要精心设计法兰接口以及样品存放、传输方式，以便其能同时衔接制备系统和后续的表征系统。
显然，传统的样品传输方式要么容易破坏样品本身的性质，要么执行起来过于复杂、容错率较低，并且两种方式都比较耗费时间和人力成本。那么，有没有一种切实可行的方式能够实现样品的“完美”传输，这个“完美”既包括成功避免传输过程中样品可能遭受的尘埃，表面氧化和吸附等污染问题，又能够节省时间和人力成本。答案是有的，正是近十年来被提出并付诸实施的超高真空互联的理念。而西湖大学物质科学公共实验平台无疑在这方面走在了时代的前列。
真空互联系统，顾名思义是利用真空部件将各种类型设备有机地联系在一起形成一整套的大型装置。在这样的装置中样品的制备、表征、测试可以在同一间实验室完成，从而大大地提高了运行效率。譬如实验者利用MBE等生长设备制备出高质量的超导薄膜样品；接下来他只需要借助于实验室的真空互联管道，在超高真空环境下将样品自由地传输到STM系统进行形貌的测量和谱学表征；然后他将样品借助互联管道传输到XPS设备确定了样品的元素组分；最后又借助于互联管道将样品置于ARPES当中完成了能带结构的观测。在这样的一整套立体的实验中，样品一直处在超高真空环境当中，丝毫不用担心其会暴露大气而受到污染。样品被固定在样品架/托上，该样品架/托可承载着该样品移动到整套设备的任何角落而不受限制。以上这些都是在以往传统的物理/材料学实验室当中无法实现的，而在真空互联实验室的条件下则可完美地运作，起到了事半功倍的效果。
由此可见真空互联的理念和方式是能够出色地解决传统模式实验中难以解决的表面污染的问题，是可以集生长、处理、表征、测试于同一间实验室同一台系统，无疑成为了当前纳米科学、凝聚态物理，低维材料、表面科学与催化、量子器件研发等前沿领域研究中的“版本答案”。西湖大学物质科学公共实验平台的表面物理分析实验室自成立伊始就致力于打造高水准的超高真空互联实验装置，整个实验室无论是从设备硬件设施的采购安装、实验人员的配置和管理运营方面都参考和借鉴国内外优秀实验室和科研平台运行模式，并发展总结形成自己独特的运行思路，在为西湖大学的科研事业默默做出自己的贡献。
西湖大学物质平台真空互联系统
当前西湖大学物质科学公共实验平台的大型互联装置集合了高通量氧化物分子束外延、激光分子束外延等样品制备设备和扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱、X射线光电子能谱等样品表征系统，可以全面地、立体地对于凝聚态物理、表面科学、材料科学等前沿热点课题进行深入的探究，已经为西湖大学理学院和工学院多个课题组提供系统的科研支撑与服务。于2023年3月8日上线的题目为“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”的Nature期刊正文无疑是该互联装置近期最直接的科研贡献。
该篇文章介绍了西湖大学理学院物理系何睿华课题组最新的研究成果：文章报道了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料，其性能远超传统的光阴极材料且无法为现有理论所解释。该现象的发现为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。西湖大学博士研究生洪彩云、邹文俊和冉鹏旭为共同第一作者，西湖大学理学院长聘副教授何睿华为通讯作者。需要着重指出的是，该工作的全部实验和理论工作都在西湖大学完成。长期深耕材料物理性质研究的西湖大学理学院何睿华团队意外在一个同类物理实验室中“常见”的身影——钛酸锶上实现了突破。何睿华团队在实验中发现，这些熟悉的材料竟然承载着触发新奇光电效应的能力——它有着远超于现有光阴极材料的关键性能：相干性，从而极大地弥补了现有光阴极材料的缺憾。
物质平台服务助力西湖大学物理系第一篇Nature正刊
在整个实验过程中，实验者操纵着由旗型平板样品托承载着的这一枚小小的钛酸锶样品基片在超高真空互联系统里自由穿梭，时而传入到制备腔体里进行封闭退火处理；时而传入到不同的角分辨光电子能谱设备里进行系统地谱学表征。整个过程中钛酸锶样品从未被拿出到系统外部，一直被超高真空环境保护得很好，因而采得的数据既快速又准确、信噪比高、分辨率强、令人信服。无论是在实验设备硬件的提供还是在实验人员管理和技术服务方面，西湖大学物质科学实验平台可谓给该项工作以最有力的支撑和最坚实的后盾。在这篇Nature文章的最后，何睿华团队也特地对物质平台表达了深深的谢意。
三、保持先进性的秘诀
百尺竿头，更进一步。随着西湖大学的不断发展和壮大，物质科学实验平台也将依照计划如期搬迁至云谷新校区，那里将有更广大的实验场地、功能更加齐全的实验设备和更多具有丰富经验的实验人员。物质科学实验平台是完全契合西湖大学‘小而尖’办学宗旨而设立的创新型实验平台。“在不久的将来，实验室完全搬迁至云谷校区后将进一步发挥自身优势，助力西湖大学科研腾飞的同时，力争纳入浙江省乃至国家重大科技基础设施建设，打造成国际知名的先进物质学科综合研究系统和公共实验平台。我们平台将立足于设备功能的持续创新，大力开展特色设备的自主研发；服务目标上，平台人员将秉承“质量第一、服务第一”理念，努力使平台成为科研人员认可的运行高效与技术先进的支撑平台。”物质科学公共实验平台的周桃飞主任如是说。每次展望未来，他都踌躇满志。
西湖大学云谷校区鸟瞰
在当下共享设备平台理念被意识到并受到极力推崇的今天，各大共享实验室/实验站如雨后春笋般地也在广大高校和科研院所相继铺展开来。面对各类共享实验平台大行其道，西湖大学物质科学公共平台该如何保持自身的先进性呢？周桃飞主任带领的团队基于多年来实验室运营管理实践中给出了答案：是“人”。如果说大型真空互联实验装置硬件设施是物质平台表面实验室赖以存在的肉体和骨骼，那么秉承“技术先进，管理高效”的建设宗旨和西湖大学“小而精”的办学理念，积极探寻开放、透明的信息化实验仪器共享管理建设模式和不断优化专业服务意识武装起来的实验工作人员则赋予了实验室以活的灵魂。保持先进的关键就在于不断学习和实践。历史在发展，社会在前进，只有把握好时代脉搏，与时俱进地进一步发挥自身价值，才能继续创造辉煌。 前文提到的何睿华团队的这篇Nature文章成果只是在如此先进模式运行下的物质科学公共实验平台众多支撑服务项目的一个开端，未来西湖大学物质科学公共实验平台会充分利用好浙里仪器共享平台，发挥自身优势，为更多创新主体提供技术支撑服务；进一步加强与校内外相关研究实验室合作，攻克探索过程中的技术难题；吸引更多需要依托真空互联实验室的机构、重大科技团队和公司企业共同参与和使用，为科研事业贡献自己的力量。
