没有各种晶体材料，人类生活将难以正常进行。

  随着科学技术的发展与革新，晶体已经成为计算机、通信、航空航天、激光技术等领域的关键材料。

  在济南量子技术研究院从事于人工晶体生长、非线性光学器件等研究领域的教授级高级工程师王东周，与团队一起在国际上率先实现了高质量近化学计量比铌酸锂晶体和周期极化晶体器件制备，并获得高效率的非线性激光输出，这一成果增强了我国在光学材料领域的影响力，也为济南量子信息和激光产业发展提供了有力技术保障。

  当揭开晶体神秘的面纱，闪烁着“科技智慧”的晶体材料在泉城大地发出“闪耀光芒”。

从“0”到“1” 实现对晶体结构与性能的探索

     “其实我们身边的晶体比比皆是，比如冰就是水的结晶，食盐溶解在水中、溶液蒸发后便会形成方形的食盐晶体颗粒。”在济南量子技术研究院实验室，当记者对眼前一块块晶莹剔透的晶体产生疑问时，王东周便从日常生活中最简单的晶体形成介绍了起来。

    除此之外，人们日常使用的电脑、手机中的半导体元件都是以晶体硅为原料制作而成，生活中接触到的一些金属如铁、铜也属于晶体大家族。

  在晶体研究领域中，通常会按照功能应用对晶体进行分类，比如应用于激光产生的叫作激光晶体，应用于激光变频领域的则称为非线性光学晶体，应用于雷达领域的叫作声学晶体，除此之外还有用于X射线探测的被称为闪烁晶体......从力、热、声、电、光不同的应用领域对晶体做划分。

  王东周和团队研究的晶体材料便要从铌酸锂(LiNbO3)晶体说起，铌酸锂(LiNbO3)晶体是一种重要的光电材料，是至今人们所发现性能最好的一种人工晶体，广泛应用于光通信、量子通信、航空航天等领域，是电光调制器、5G滤波器、激光器以及探测器等基础材料之一。

  研究表明，基于铌酸锂光学平台开发出的全球领先微波光子芯片，可以实现高速的数据传输，不仅能耗更低，而且应用范围广阔，涵盖无线通信、高分辨率雷达、人工智能、AR、量子信息等多个领域。

  “在研发过程中，我们会根据不同需求为牵引来做晶体的设计和制备，相当于我们先培育出一粒‘种子’，通过对‘种子’结构与性能的探索，然后培育这粒‘种子’成长壮大。”王东周说道。

  团队经过多年的研究，掌握了从相关设备的设计、均匀多晶料制备、晶体生长及缺陷控制、晶体加工和晶体器件制备的全链条关键核心技术。

  同时，济南量子技术研究院牵头制订的材料领域国家标准《量子信息用光学级近化学计量比铌酸锂晶体》，也为量子信息技术领域常用的近化学计量比铌酸锂晶体规定了技术要求、提供试验方法和质量评定程序，填补我国相关领域的标准空白。

从“1”到“100” 突破大尺寸晶体生长“卡脖子”难题

      近年来，济南量子技术研究院全力攻克大尺寸高质量铌酸锂晶体制备技术难关，研制的近化学计量比铌酸锂晶体各项技术指标达到国际领先水平，实现周期极化铌酸锂晶体和波导芯片的全产业链完全自主化、国产化、量产化。

  确实正如王东周采访时所说，晶体生长的过程是将无序的原材料最终变为规则有序的晶体，许多应用场景都希望是大尺寸晶体实现大规模制备。但是由于晶体的结构和生长方式不同，要想从一颗盐粒大小的晶体生长成为几公斤重的大晶体并非易事。

  “这是一个需要耐心的工作，时间长短一般根据具体的生长方法及晶体特性的差异而有所不同。在不同温度和环境条件下，晶体将呈现不同的结晶习性。此外，尽管某些晶体展现出优异性能，但受制于材料本征特性限制，实现大尺寸晶体的稳定制备仍面临重大技术挑战。”

  然而由于早期受到国外技术的封锁，加之缺乏先前实验参照及预期中的不可知性，团队遇到了一道道难关，哪怕是其中一个看似简单的制造工艺，都需要团队长时间的反复打磨。

  “其实我们走了非常多弯路，经历过大大小小的失败，实验到凌晨对团队成员而言也是家常便饭。”王东周说。

  王东周举例说，在日常生活中大家用到的激光笔，其中非常关键的晶体材料便是KTP晶体，KTP晶体是由美国杜邦公司发明，售价要比黄金贵好几倍。

  “我们国家通过助溶剂法来生长KTP晶体，这是国外从来没有想过的方法，取得成功后，迅速在世界范围内做了推广。”科研团队多年钻研，攻克晶体生长的关键技术难题，使晶体性能达到国际领先。

  王东周介绍说，KTP晶体是实现我国首次对外出口创造外汇的晶体材料，尤其是在高品质的KTP晶体上，国外目前仍然是全部从我国采购。

从“100”到“N“ 助力量子信息产业平稳发展

 “目前我们是济南量子技术研究院和山东大学联合开展晶体材料方面研究，侧重于应用导向，服务于国家重大战略;同时济南量子技术研究院的其他团队正好是我们晶体材料的应用方，我们做出来的产品直接应用，实现了上游的晶体材料生长到中游器件开发、再到下游应用的全链条布局。”王东周说道。

  其实从整个研发条件来看，山东省尤其是济南市，在晶体材料领域具有非常好的研究基础和产业环境优势，济南拥有全国唯一的山东大学国家晶体材料国家重点实验室;中国建材集团所属的人工晶体研究院迁入济南;济南一批行业领先的晶体材料企业已经走上快车道。可以说，济南在晶体材料领域“产、学、研”具有得天独厚的有利条件，再加上政府从政策、人才、金融等各方面全力支持，为晶体产业的长期发展提供了有力支撑。

  “此外，我们团队已经研发出了PPKTP晶体，它是做量子纠缠光源一个核心的器件，之前全世界范围内只有以色列可以生产销售，如果一旦受到封控，那我们国家在量子计算、一些基础的光量子实验方面直接面临没有晶体可用的境地，我们有责任为保障我国量子信息产业平稳发展提供晶体材料支撑。”

  据了解，量子信息科技作为基于量子力学原理的新型信息处理技术，通过利用量子纠缠与量子态叠加等特性，在计算、通信和加密等领域展现出突破性应用潜力。其中，量子纠缠光源作为该领域的重要基础单元，其制备主要依赖于晶体材料。面对量子通信、光芯片等新兴领域，无论是从材料研发方面提供支撑，还从整个产业链的强链补链方面进行全方位支持，这些都是团队需要攻克的方向。

  正是这支由年轻人所组成的团队，拥有着科研探索中最难能可贵的一样品质——干劲，在实验室中一次又一次的数据推演、参数修改、实验验证，实现了大尺寸晶体的制备。

  “本身晶体材料的制备是一个非常艰难的过程，它的发展是很漫长。如蒋民华院士所说‘十年磨一剑，十年磨一晶’，作为青年人才能够投身到这个事业当中是无比荣耀的，我希望我们能戒骄戒躁，多沉淀多积累，为我国的量子通信发展贡献力量。”济南量子技术研究院高级工程师王孚雷说。

  在这条“追光”之路上，泉城大地上的“逐梦追光者”正用智慧和汗水点亮一颗颗科技之星。

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