聚焦極端條件綜合實驗?zāi)芰?中國這個大科學(xué)裝置建設(shè)四大實驗系統(tǒng)

中新網(wǎng)北京2月26日電 (記者 孫自法)中國國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——綜合極端條件實驗裝置2月26日在北京通過國家驗收，這一國際先進(jìn)的同時具備極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等極端條件綜合實驗?zāi)芰Φ拇罂茖W(xué)裝置，其主要建設(shè)內(nèi)容、科研目標(biāo)等備受關(guān)注。

作為項目主要建設(shè)單位，中國科學(xué)院物理研究所向媒體提供的信息顯示，綜合極端條件實驗裝置主要建設(shè)內(nèi)容包括建設(shè)極端條件物性表征系統(tǒng)、高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)、極端條件量子態(tài)調(diào)控系統(tǒng)、超快條件物質(zhì)研究系統(tǒng)等四大實驗系統(tǒng)。此外，還建設(shè)了相關(guān)的實驗輔助設(shè)施和必要的土建工程。

極端條件物性表征系統(tǒng)包括超高壓極低溫物性測量子系統(tǒng)、極低溫強磁場量子振蕩測量、綜合極端條件光譜測量、強磁場核磁共振測量、極低溫強磁場掃描隧道測量、極低溫原位掃描隧道角分辨光電子譜測量、高壓原位多物理量系統(tǒng)測量等諸多子系統(tǒng)。

同時，建成低溫、高壓、強磁場、超快光場等多種綜合極端條件，形成電輸運性質(zhì)、磁性、核磁共振譜、拉曼光譜、掃描隧道譜、太赫茲和紅外光譜、角分辨光電子譜等多種物性表征和譜學(xué)測量平臺。

綜合極端條件實驗裝置通過國家驗收，圖為其極端條件物性表征系統(tǒng)-強磁場核磁共振實驗站相關(guān)設(shè)備。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

中國科學(xué)院物理所周睿研究員科普介紹極端條件物性表征系統(tǒng)—強磁場核磁共振實驗站說，在強磁場下，不僅可以改變物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)，顯示出新的量子效應(yīng)，還能根據(jù)電子在強磁場的響應(yīng)下，探究物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)信息；在超高壓下，可以縮短物質(zhì)本身的原子間距，形成全新的物質(zhì)狀態(tài)，比如石墨加壓后，可以華麗蛻變成鉆石。

磁場雖然看不見，卻真實存在于人們周圍。通過改變磁場的強度，存在于磁場內(nèi)部的物質(zhì)會改變狀態(tài)，反映出物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。強度越高，變化越明顯，而結(jié)構(gòu)分析越準(zhǔn)確。高壓作為另外一種外界刺激手段，元素不變的情況可以直接改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

周睿指出，為更全面了解物質(zhì)特性，研究人員會在對物質(zhì)施加磁場和壓強等外部刺激的同時，從聲、光、電、熱、磁等方面觀察物質(zhì)給出的反應(yīng)，進(jìn)而對其有全面的認(rèn)識和理解，以準(zhǔn)確把握這些物質(zhì)可以發(fā)揮的潛力。

高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)包括固體環(huán)境高溫高壓極端條件實驗、液體環(huán)境高溫高壓極端條件實驗等子系統(tǒng)，主要通過建設(shè)固體環(huán)境高溫高壓極端條件、液體環(huán)境高溫高壓極端條件、非平衡高壓極端條件實驗平臺，形成一個完整的高溫高壓大體積材料研究體系。

極端條件量子態(tài)調(diào)控系統(tǒng)包括亞毫開極低溫實驗、極低溫固態(tài)量子計算研究、低溫強磁場低維電子波譜學(xué)實驗等子系統(tǒng)，通過建成亞毫開極低溫實驗條件、極低溫極弱場超導(dǎo)量子計算條件、極低溫強磁場自旋量子計算條件以及低溫強磁場低維電子波譜學(xué)實驗手段，形成超導(dǎo)拓?fù)涞攘孔討B(tài)專用調(diào)控平臺。

綜合極端條件實驗裝置通過國家驗收，圖為該大科學(xué)裝置的亞毫開實驗站。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

中國科學(xué)院物理所李沛嶺副研究員科普講解說，在極端條件量子態(tài)調(diào)控系統(tǒng)實驗站中，科研人員借助儀器把溫度不斷降低，最低可以接近絕對零度(零下273.15℃)，當(dāng)溫度接近絕對零度時，物質(zhì)的熵趨近于零，此刻熱運動停止，物質(zhì)的原子分子排列會非常有序，原本微弱的量子效應(yīng)就會顯現(xiàn)出來，甚至一些材料會顯示出超導(dǎo)現(xiàn)象。

超導(dǎo)指某些材料在低溫環(huán)境下，電流通過時電阻為零的現(xiàn)象，如果把超導(dǎo)材料比喻成高速公路，電流看成車輛，那么電流這輛車在超導(dǎo)的路上行駛，就完全不會產(chǎn)生任何油耗。目前超導(dǎo)現(xiàn)象還依賴于低溫環(huán)境，如果研究出室溫超導(dǎo)體，那電力能源傳輸、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸、醫(yī)學(xué)診療都將有極大變化。

當(dāng)溫度接近絕對零度時，物質(zhì)的基本構(gòu)成粒子像分子、原子甚至是電子就不像高溫時那么活躍，它們會以某種秩序排列起來，此時量子相關(guān)的一些特征效應(yīng)會變得更加明顯且容易捕捉。李沛嶺打比方說，“就像河里的魚，正常情況下我們看不清，但當(dāng)我們將水都變成冰，魚被凍在冰內(nèi)的時候，魚的各種特征就能通過準(zhǔn)確且全面的觀察確定下來”。

超快條件物質(zhì)研究系統(tǒng)主要建設(shè)飛秒激光、阿秒激光、飛秒X射線及飛秒電子脈沖等超快條件，形成超快條件下的時間分辨譜學(xué)測量平臺和時間分辨結(jié)構(gòu)成像平臺，包括飛秒激光超快實驗、阿秒激光超快實驗、超快X射線動力學(xué)實驗、超快電鏡與電子衍射實驗等子系統(tǒng)。

綜合極端條件實驗裝置通過國家驗收，圖為該大科學(xué)裝置的阿秒超快實驗站相關(guān)設(shè)備。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

中國科學(xué)院物理所董朔副研究員介紹阿秒超快實驗站說，在超快光場下，阿秒是目前最小時間單位，1阿秒是秒的一億億分之一。日常拍照時，人們不斷按相機快門可以記錄下物質(zhì)的運動，在超快光場實驗室里，就相當(dāng)于擁有一個超級快速的相機快門，“拍攝”記錄下原子、分子、電子的運動，了解物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的全部變化。

她透露，比阿秒更快的時間單位是仄秒，但目前還處于理論探索階段。

中國科學(xué)院物理所表示，綜合極端條件實驗裝置建成后，可提供最低溫度不高于1毫開爾文，最高壓力不低于3000億帕斯卡，最高超導(dǎo)磁體磁場強度不低于26特斯拉，超快光場脈寬不高于100阿秒的極端條件實驗環(huán)境。通過系統(tǒng)間實驗條件的協(xié)同，還可以為用戶提供綜合極端條件指標(biāo)。

在建設(shè)過程中，綜合極端條件實驗裝置不斷改進(jìn)方法體系，提高實驗?zāi)芰Γǔ蓮脑骷庸さ竭m應(yīng)不同測試需求的大型極端條件設(shè)備的測量體系、從設(shè)備研制到多極端條件集成的一體化工程技術(shù)體系，從而為該裝置極端條件指標(biāo)的突破、關(guān)鍵設(shè)備的自主研制等提供有力技術(shù)支撐，并通過自主研制掌握一大批具有國際一流水平的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。

目前，綜合極端條件實驗裝置已上線“夸父”量子計算云平臺，成功研制基于極高場全超導(dǎo)磁體的極端條件物性測量系統(tǒng)，實現(xiàn)一系列技術(shù)突破。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，綜合極端條件用戶實驗裝置的建成運行，將極大提升中國在物質(zhì)科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究綜合實力，未來在諸如新型高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)、非常規(guī)超導(dǎo)機理突破、量子計算核心技術(shù)突破、物性的超快調(diào)控和晶格振動實時成像的實現(xiàn)等研究方向上，將助力中國取得國際一流的研究成果。(完)