走近国家重大科技基础设施丨探索新现象 发现新物态探访综合极端条件实验装置

位于中科院物理所怀柔园区的综合极端条件实验装置全景。（中科院物理所供图）

能否想象，水在常温状态下可以变成冰，大家印象中十分稳定的氧气也可以变为导体、超导体……

这些神奇的现象之所以能够出现，缘于压强的改变。

据介绍，物质的状态跟温度、压强、磁场等因素息息相关。改变温度、压强、磁场等物理条件，乃至创造不同的极端条件，可以发现和揭示许多在常规条件下观察不到的奇异物性，甚至可以得到新的物质存在物态。近年来，利用极端实验条件取得创新突破，已成为科学研究发展的一种重要范式，也取得了许多具有深远影响的科学成就。

在北京怀柔科学城，就有这样一个可以创造多种极端条件的大科学装置——综合极端条件实验装置。

什么是极端条件？这个装置能够营造哪些极端条件环境？会孕育出什么科研成果？对提升我国基础研究与应用基础研究实力有何作用？记者带您走近综合极端条件实验装置一探究竟。

极低温、强磁场、超高压和超快光场人为创造极端条件发现奇异物性

11月3日一大早，中国科学院物理研究所怀柔研究部主任、综合极端条件实验装置首席科学家吕力来到位于物理所怀柔园区的办公室，开始一天的工作。最近，他正忙于综合极端条件实验装置全面验收、正式投用前的各项准备工作。

“‘远看是花园、近看是家园’正在成为现实。”看着园区满园秋色，他不禁向记者回忆起五年前的情景。彼时，综合极端条件实验装置刚刚启动建设，“那时这里还是一片空地”。如今的园区已然热闹起来，不仅办公人员多了起来，来自各研究机构的研究人员也越来越多。

今年年初首批通过性能工艺测试的5个实验站开放普通课题申请时，就收到57份申请，包括36家国内外科研院所、高等院校和高新企业的一线科研团队。“加上后来陆续有其他实验站通过性能工艺测试，我们自己的科研人员也开启了调试实验等科研活动。”吕力告诉记者，目前，综合极端条件实验装置18个子系统中已有16个完成了工艺测试验收，“仅首批开放的5个实验站就已开展约1.4万小时的极端条件实验。”

那么，到底什么是极端条件？

面对记者的疑问，吕力介绍：极端条件是指在实验室中人为创造出来达到或接近目前技术极限的特别低的温度、特别强的磁场、特别高的压强等，并用超快的“高速摄影机”来观察实验现象。

“达到这样的实验条件，一直是全世界物理学家的追求。”吕力告诉记者，极端条件下，科学家们可以发现和揭示许多在正常条件下观察不到的奇异物质特性，从而探索新规律、开辟新应用、合成新材料、制备新器件，拓展我们认识自然、改造自然、造福人类的能力。

在物理学领域，不少诺贝尔奖的获得正是借助极端实验条件。“可以说冲破极端条件，取得创新突破已经成为科学研究的一种重要范式。”吕力说，综合极端条件实验装置的建设目标就是为国内外用户提供国际一流的极低温、强磁场、超高压、超快光场等极端实验条件，用于开展材料合成、物性表征、量子态调控、超快过程等物质科学的前沿研究。

这些条件到底有多极端？吕力给出了一组数据：小于1mK的极低温、超过300GPa的超高压、至少26T的全超导磁体强磁场以及约100阿秒的超快光场。

以极低温为例。物理学领域，有一个绝对零度的概念——0K，也就是零下273.15℃，这在现实中是无法实现的。而综合极端条件实验装置可以实现1mK的极低温，仅比绝对零度高0.001℃，比宇宙的背景辐射温度还低几千倍。

科研人员在调试综合极端条件实验装置的低温原位扫描隧道-角分辨光电子谱测量子系统。（中科院物理所供图）

除此之外，还可实现比地球磁场高几十万倍的强磁场、接近地心压力的超高压，还能把时间“切割”得只有1秒的一千万亿分之一。

将不同的极端条件“综合”起来提供探索未知世界的新维度

值得注意的是，这个装置不仅可以实现单项的极端条件，还可以将不同的极端条件“综合”起来。

“这是这个装置最大的特点。”吕力告诉记者，这极大拓展了物质科学的研究范围，提供了探索未知世界的新维度，为探索新现象、调控新物态创造前所未有的机遇，“很多重要的现象，它必须在综合的极端条件下才能出现。就好比你在二维空间走，就不如在三维空间来得广阔。”

“如果把综合极端条件下的科学探索过程比喻成探矿寻宝，有了这个综合极端条件，我们就可以看得比别人更远、挖得比别人更深，收获也比别人更多。”吕力说，装置将助力提升我国基础研究与应用基础研究实力。

据介绍，整个装置包括物性表征楼、扫描电镜显微镜楼、超快光场楼等9栋实验楼，分成四大块。一是极端条件下的物性表征系统，可以实现多种极端条件下先进物性和材料的表征测量，可以探索新机理、发现新材料。二是量子态调控系统，在极低温强磁场等综合极端条件下对量子过程进行调控研究。三是超快条件物质研究系统，围绕综合极端条件，建立一系列研究测量的配套设施，探索物质中超快的运动过程。四是公用辅助设施系统，如低温液氦系统、微纳米加工平台、工艺支撑平台等。

量子态调控系统。（中科院物理所供图）

装置的不少实验系统都属于“综合极端条件”，比如物性表征系统中的超高压极低温物性测量子系统、极低温强磁场量子振荡测量子系统等。“并不是所有的极端条件都可以有效地‘被综合’，需要找到一个合理的‘平衡点’。”吕力介绍，这也是装置建设的难点所在。

在极端条件下，物质世界会有哪些新现象、新规律？这里或将超前一步给出答案。

吕力介绍，近期科研人员依托这一装置在接近室温条件超导材料的探索上取得了新的进展。“通常情况下，要在非常低的温度下才能出现超导现象，在接近室温条件下实现超导是我们的一个梦想，我们发现在高压条件下这个梦想就可能实现。”吕力进一步解释说，倘若实现了室温超导，将大大降低电力输送过程中的能耗，带来电力工业的革命。

此外，综合极端条件实验装置还将为拓扑物态、量子材料与器件等方面的研究，提供尖端实验手段的支撑，进而为相关材料的人工设计与制备，以及诸多科学难题的破解提供前所未有的机遇。

“将来如果说量子计算能够做成，碰上有新的病毒来了，我们就有可能很快做出新的抗病毒的药物。”多年致力于量子计算研究的吕力，对这一装置充满期待，“新物态的探索和调控一直是物理学研究的主要内容。比如调控水的状态把水变成水蒸气，人类发明了蒸汽机，掀起了第一次工业革命；调控电磁场的状态，人类开启了第二次工业革命，进入电气时代；调控电子能带的状态，导致了第三次工业革命——信息化。从物理学的角度，我们希望通过继续调控物质的状态、物质里电子的状态，对第四次工业革命作出贡献。”

在自主创新中持续取得新突破打造极端条件“升级版”

稀释制冷机的设备调试。张文超 摄

在物理所怀柔园区X2楼大厅里，摆着一台物理所20世纪70年代末研发的稀释制冷机，这台机器可以把温度降到0.03K。

吕力告诉记者，在超导量子计算领域，被业外人士称为“冰箱”的稀释制冷机是必不可少的实验设备。通常根据温区和功能特点的不同，极低温制冷设备可以分为氦4减压降温制冷系统、氦3制冷机、稀释制冷机、核绝热去磁制冷机等不同的系列。一段时期以来，我国用于极低温区科学研究的制冷设备主要依赖进口。

去年，物理所率先自主研发了最低温度可达10mK以下的干式稀释制冷机，消除了固态量子计算研究被“卡脖子”的隐患。

而就在半个月前，中科院物理所再次发布消息：该所成功自主研发极低温氦3制冷机。

“氦3制冷机具有在百mK温区制冷功率大的特点，特别适合在该温区开展各类电学、热学和谱学实验，是综合极端条件实验装置量子调控系统的核心低温设备之一。”提及此，吕力十分自豪，“我们就是要在持续地自主创新中不断取得新突破，这也是科学家搞科学研究的意义和目的所在，我们希望极端条件能够极端一点、再极端一点。”

记者了解到，不仅是极低温，科学家们始终不间断地探索，致力于打造更多极端条件的“升级版”。

“工欲善其事，必先利其器，装置对于科学研究的重要性不言而喻。我们要用自己的行动切实提升我国综合极端条件科学和技术研究、尖端实验设备的研制运行能力，提升我国在物质科学及相关领域基础研究、高技术研究的综合水平，使我国在该领域的综合实力步入世界一流水平，助力科技强国建设。”吕力告诉记者，未来，他们充满信心。

据了解，通过全面验收后，该装置将遵循“开放、共享、流动、合作”的运行管理机制，向国内外用户全面开放。不少科学家对综合极端条件实验装置的正式投用充满期待，“以前，做极端条件下的实验要到‘别人家门口’，马上我们就可以在‘自己家门口’做实验了！”

装置简介

综合极端条件实验装置是综合集成极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件的大型科学实验设施，包括极端实验条件产生系统、极端条件下的样品表征和测量系统，以及能满足上述各系统研制、升级、维护与运行的支撑系统等，可拓展物质科学研究空间，促进新物态、新现象、新规律的发现，提升我国在物质科学及相关领域的基础研究与应用基础研究综合实力。该装置由中国科学院物理研究所主建、吉林大学共建。