綜合極端條件實驗裝置：掀起你的蓋頭來，讓我看看你是誰？

供稿|鞏斌/ GONG Bin

內(nèi)容導(dǎo)讀 綜合極端條件實驗裝置是現(xiàn)階段我國大科學(xué)裝置建設(shè)的重大項目之一，該裝置的建設(shè)對若干新學(xué)科生長點的形成以及帶動量子信息、物質(zhì)材料等學(xué)科研究領(lǐng)域至關(guān)重要。本文首先介紹了裝置項目的基本情況以及建設(shè)意義，接著闡釋了為什么要建設(shè)該實驗裝置，然后按照用途、研究方向?qū)Υ搜b置進(jìn)行了分類，并介紹了各分類下各部分的作用、研究系統(tǒng)的功能，文章的最后對此裝置項目運(yùn)行管理模式進(jìn)行了介紹，并指出具有全球一流技術(shù)條件的裝置，必定對我國社會經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

2017-9-30，我國首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——綜合極端實驗條件裝置在北京懷柔科技城正式開工建設(shè)；其中高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)設(shè)施則落戶吉林大學(xué)，于2018-6-28 開工建設(shè)。兩地的項目新建建筑面積約54000 m2，其中吉林大學(xué)部分新建建筑面積6000 m2，建設(shè)周期為5 a[1]。

綜合極端條件實驗裝置是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃，確定的“十二五”建設(shè)重點內(nèi)容之一。重大科學(xué)裝置將在探索新規(guī)律、構(gòu)建新模型、開拓新領(lǐng)域、形成若干新的學(xué)科生長點，帶動我國量子信息科學(xué)、物質(zhì)材料科學(xué)及國防科學(xué)等相關(guān)研究領(lǐng)域，取得實質(zhì)性發(fā)展。此裝置項目將建成國際先進(jìn)的集“極低溫、超高壓、強(qiáng)磁場和超快光場”等極端條件為一體的綜合極端條件科研實驗裝置。該重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建成后，我國在物質(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，將得到極大的提升；將強(qiáng)力推動我國在諸如新型高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)、非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理的突破、量子計算核心技術(shù)的突破、物性的超快調(diào)控以及晶格振動實時成像的實現(xiàn)等研究方向上，取得世界一流的研究成果。

建設(shè)綜合極端條件實驗裝置的作用

眾所周知，任何物質(zhì)都是在一定的物理條件下形成的。地球作為浩瀚無際的宇宙一員，與其它成員相比，卻是一個特例，它既不極高溫又不極低溫，也不擁有一個極強(qiáng)的磁場。恰恰相反，它卻有一個比較溫和濕潤的環(huán)境，溫度的漲幅也不是很劇烈，適宜于種類繁多的植物、動物包括人類在此繁衍生息；它的磁場也不是很強(qiáng)烈，迄今為止，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)地球是目前唯一一個適宜生命生存的星球。那么問題來了：怎樣才能在地球上，“重現(xiàn)”其他星體上那些極惡劣的自然環(huán)境呢？從而在更廣闊的領(lǐng)域里，研究物質(zhì)的狀態(tài)與探索這個世界，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)許多在地球的“常規(guī)”條件下，而不能得到的新材料、新物質(zhì)、新物態(tài)。答案那是肯定的，我國正在實施的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——綜合極端實驗條件裝置，能完成這一重大歷史使命。這一大科學(xué)裝置的投入使用，必將大大增強(qiáng)人類認(rèn)識自然、改造自然的能力，并造福于世界社會大眾。

溫度極低的情況下，物質(zhì)中電子、原子的無規(guī)運(yùn)動可以被抑制；在強(qiáng)磁場作用下，熱力學(xué)參量可以被調(diào)控，物質(zhì)的內(nèi)部能量能夠被改變；超高壓的情況下，物質(zhì)的原子間距能夠被有效縮短，相鄰電子軌道的重疊被增加，從而把物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)以及原子間的相互作用改變了，形成了全新的物質(zhì)狀態(tài)；具有無與倫比的超快時間則是超快激光的特性，快速變化的光場這一最快物理量，人們完全能夠操作并且可以控制的。為了順利的完成在上述條件下，對物質(zhì)進(jìn)行一系列的研究，就必須從外部創(chuàng)造一些“極端條件”。比如通過實驗室，就可以創(chuàng)造接近、達(dá)到甚至超過目前宇宙中已探知存在的各種物理條件和環(huán)境。

這即將完工建設(shè)的大科學(xué)裝置，就是綜合集成極低溫、超高壓、強(qiáng)磁場、超快光場等一系列配套的集群設(shè)備于一體，創(chuàng)建了超大型科學(xué)研究實驗儀器設(shè)備設(shè)施。如圖1 所示，實驗裝置的單項極端條件實現(xiàn)1 mK 的極低溫、300 GPa 的超高壓、26 T（超導(dǎo)磁體）的強(qiáng)磁場（希望能做到30 T）和100 as（阿秒）的超快光場，綜合極端條件實現(xiàn)10000 T/K的B/T值（磁感應(yīng)強(qiáng)度/溫度）、2800 T·GPa/K 的B·p/T值（磁感應(yīng)強(qiáng)度·壓力/溫度）和60000 GPa·K的p·T值（壓力·溫度），并提供多種綜合極端條件開展材料制備、物性表征、量子調(diào)控和超快動力學(xué)研究的研究手段[2]。建設(shè)總體設(shè)計方案和綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到世界一流水平的綜合極端條件科研實驗裝置。

圖1 綜合極端條件

新型工具的運(yùn)用和技術(shù)的進(jìn)步，一直推動著人類文明向前發(fā)展。從本質(zhì)上說，綜合極端條件實驗裝置，就是一種工具，而且是一種國際領(lǐng)先的科研工具，就如同望遠(yuǎn)鏡之于物理學(xué)、天文學(xué)和顯微鏡之于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的科學(xué)研究，不言而喻都是不可或缺的工具。世界上著名的研究機(jī)構(gòu)諸如美國布魯克海文國家實驗室、南極“冰立方”中微子觀測站、美國“寶瓶座”水下實驗室、尼泊爾“金字塔”實驗室、歐洲核子研究中心、加拿大薩德伯里中微子觀測站、挪威冰川實驗室等，都擁有先進(jìn)的極端條件實驗設(shè)施。

近年來，利用極端條件進(jìn)行科學(xué)研究，進(jìn)而取得研究突破和創(chuàng)新成果，已成為科研發(fā)展的一種重要范式。利用這種研究模式，科學(xué)家們不僅獲得了許多具有重大影響力的前沿突破，其中有一些人還登上了諾貝爾獎的領(lǐng)獎臺；而且許多創(chuàng)新性、顛覆性的科學(xué)成果，也得到了實踐檢驗和廣泛的實際應(yīng)用。因此，有了高水平綜合極端條件實驗裝置的加持，勢必決定著我國在相關(guān)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及與國家綜合實力息息相關(guān)的核心領(lǐng)域，在國際競爭中始終處于領(lǐng)先地位[3]。

綜合極端條件實驗裝置的分類及其各系統(tǒng)的功能和研究目標(biāo)

實驗裝置按用途分類，其由極端實驗條件產(chǎn)生系統(tǒng)、極端條件下的樣品表征和測量系統(tǒng)，以及能滿足上述各系統(tǒng)研制、升級、維護(hù)與運(yùn)行的支撐系統(tǒng)等部分組成。顧名思義，即由極端實驗條件實現(xiàn)的系統(tǒng)，在極端條件下，如何用文字、圖示、模型等解釋和說明樣品中隱含的內(nèi)在的結(jié)構(gòu)和特性以及進(jìn)行測量的系統(tǒng)及滿足上述系統(tǒng)的后援支持系統(tǒng)等組成。

實驗裝置按研究方向分類，其可分成4 個科學(xué)實驗系統(tǒng)；另外還有1 個實驗輔助設(shè)施系統(tǒng)。4 個科學(xué)實驗系統(tǒng)即在北京建設(shè)的極端條件物性表征系統(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)和在吉林建設(shè)的高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)。在北京建設(shè)的3 個實驗系統(tǒng)可以促進(jìn)各領(lǐng)域的研究向縱深發(fā)展，并可以相互關(guān)聯(lián)、相互支撐、綜合集成，并與相鄰的、即將建設(shè)的大型同步輻射光源緊密相結(jié)合，為全方位開展極端條件下的物質(zhì)科學(xué)研究提供先進(jìn)的、功能完備的實驗條件。在吉林建設(shè)的實驗系統(tǒng)將在原有高壓科學(xué)研究的良好基礎(chǔ)上，與吉林大學(xué)物質(zhì)科學(xué)相關(guān)優(yōu)勢學(xué)科緊密結(jié)合，發(fā)展高溫高壓大體積材料制備與表征手段。

極端條件物性表征系統(tǒng)

物性表征系統(tǒng)的研究目標(biāo)是在低溫、高壓、強(qiáng)磁場、超快等多種極端條件下研究樣品的磁特性、輸運(yùn)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、譜學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和原子成像六大屬性，并建立高壓原位多物理量協(xié)同測量子系統(tǒng)，高真空下原位薄膜樣品制備系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 極端條件物性表征系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

物性表征系統(tǒng)的主要功能按測量種類分為：磁特性的測量可以通過調(diào)控溫度、磁場、量子振蕩、譜學(xué)和高壓獲得不同物理變量對物質(zhì)磁性的影響；輸運(yùn)測量是物性表征研究最基本的測量種類，可以通過對溫度、磁場、量子振蕩和高壓調(diào)控獲得相應(yīng)的輸運(yùn)響應(yīng)結(jié)果；結(jié)構(gòu)分析除了傳統(tǒng)的X 光衍射和中子散射，可以采用遠(yuǎn)紅外、太赫茲及拉曼光譜測量從不同輻射源和時域角度進(jìn)行研究；譜學(xué)性質(zhì)的調(diào)控可以包括溫度、磁場、壓力及超快時域響應(yīng)；在本物性表征系統(tǒng)中，所研究的力學(xué)性質(zhì)主要和壓力調(diào)控相關(guān)；原子成像可以用掃描隧道和角分辨光電子譜實驗手段獲得。

極端條件量子態(tài)調(diào)控系統(tǒng)

亞毫開極低溫實驗子系統(tǒng)和低溫強(qiáng)磁場低維電子波譜學(xué)實驗子系統(tǒng)，它們構(gòu)成了極端條件量子態(tài)調(diào)控系統(tǒng)，如圖3 所示。將充分利用綜合極端條件裝置的集群化優(yōu)勢開展研究，極端條件量子態(tài)調(diào)控系統(tǒng)的研究目的在于認(rèn)識和了解量子世界的基本現(xiàn)象和規(guī)律。二是能夠在極低溫、強(qiáng)磁場等綜合極端條件下，對量子過程進(jìn)行調(diào)控研究。實現(xiàn)在超導(dǎo)量子計算、拓?fù)淞孔佑嬎?、納米電子學(xué)等研究方向上經(jīng)典調(diào)控極限的突破，以期建立新的量子調(diào)控技術(shù)、研制出新的量子器件。

圖3 極端條件量子態(tài)調(diào)控系統(tǒng)示意圖

超快條件物質(zhì)研究系統(tǒng)

超快科學(xué)的研究目標(biāo)是通過對物質(zhì)中的原子、分子、電子等微觀粒子的動力學(xué)行為進(jìn)行超高時空分辨測量和控制，從而實現(xiàn)對相關(guān)的物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等新現(xiàn)象、新機(jī)制的理解和發(fā)展。

綜合極端條件超快物質(zhì)研究系統(tǒng)的具體目標(biāo)是建設(shè)一個集成飛秒激光、阿秒激光、X 射線激光以及超快電子脈沖源，并與光電子能譜儀、角分辨能譜儀、透射電鏡以及電子衍射等終端探測裝置相結(jié)合的綜合超快科學(xué)研究系統(tǒng)，從而滿足以上綜合研究的要求，如圖4 所示。

圖4 超快條件物質(zhì)研究系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

根據(jù)以上超快科學(xué)的研究需求，超快條件物質(zhì)研究系統(tǒng)首先要發(fā)展相應(yīng)的超短脈沖源，包括可見光波段的寬光譜可調(diào)諧飛秒激光、極紫外波段的阿秒激光、硬X 射線波段的飛秒脈沖以及飛秒的電子脈沖。它們都是以飛秒激光為基礎(chǔ)，通過各種非線性相互作用過程、頻率變換以及與光陰極相互作用等方式獲得。這些超短脈沖源進(jìn)而與相關(guān)的時間分辨譜學(xué)測量技術(shù)和時間分辨的結(jié)構(gòu)成像技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)泵浦探針測量，從而最終達(dá)到測量樣品相關(guān)微觀動力學(xué)行為的目的。

高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)

高壓科學(xué)是物理化學(xué)、生物、地學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科原始創(chuàng)新的一個重要源頭，是創(chuàng)造新物質(zhì)和發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象的一個強(qiáng)有力的手段。其將來的研究領(lǐng)域之廣，不僅不亞于與溫度有關(guān)的學(xué)科，而且也不亞于與成分有關(guān)的學(xué)科。

高溫高壓極端條件下對物質(zhì)原位物性表征技術(shù)可廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料、地學(xué)等多個研究領(lǐng)域，通過開展高壓輸運(yùn)、力學(xué)流變、聲學(xué)、光電等基本物理性質(zhì)的精確測量，探索人們期待已久的高壓下的化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、催化等基礎(chǔ)研究。對凝聚態(tài)物質(zhì)的輸運(yùn)性質(zhì)和原位力學(xué)性質(zhì)測量，可揭示1.高壓下材料的物理性質(zhì)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、德拜溫度、泊松比等；2.高壓下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)相變和電子相變、金屬化、熱擴(kuò)散、晶界的輸運(yùn)性質(zhì)等；3.物質(zhì)在非平衡高壓下的壓縮形變與剪切/扭曲形變，及其誘導(dǎo)的材料相變；4.材料的力學(xué)/彈性性能、電學(xué)性能隨此非平衡高壓極端條件的變化規(guī)律。

高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)的核心是高溫高壓極端條件的產(chǎn)生。高壓極端條件可以從幾百 MPa到幾十 GPa，高溫極端條件可以高達(dá)數(shù)千開。在這些壓力和溫度條件下，獲取的樣品形態(tài)可以有固體物態(tài)，也有液態(tài)物質(zhì)；樣品的體積可以從mm3到m3數(shù)量級。產(chǎn)生不同的高壓極端實驗條件的基本原理具有差異，而不同科學(xué)研究需求不同的高溫高壓極端條件。因此，針對不同用戶科學(xué)研究對不同的高壓極端條件的需求，該系統(tǒng)擬設(shè)計了3 種不同的高溫高壓極端實驗條件子系統(tǒng)，形成一個完整的高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)，其高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖5 所示。

圖5 高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

實驗輔助設(shè)施系統(tǒng)

實驗輔助設(shè)施主要包含5 個子系統(tǒng)，分別為微納加工實驗平臺、常規(guī)樣品預(yù)選平臺、綜合極端條件工藝支撐平臺、低溫液氦系統(tǒng)和高壓用戶輔助實驗室，如圖6 所示。微納加工實驗平臺主要滿足綜合極端條件實驗裝置的各系統(tǒng)測試所必須的微納結(jié)構(gòu)與器件的制備需求；常規(guī)樣品預(yù)選平臺主要為綜合極端條件物性表征系統(tǒng)提供樣品的制備、處理和初步的常規(guī)表征，用來篩選高質(zhì)量的樣品，為下一步極端條件下的非常規(guī)物性研究做準(zhǔn)備；綜合極端條件工藝支撐平臺主要為綜合極端條件實驗裝置的各系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計、制作及功能拓展等提供精密機(jī)械加工和電子學(xué)技術(shù)支撐的平臺；低溫液氦系統(tǒng)主要為極端實驗裝置中10 個子系統(tǒng)提供液氦，是綜合極端實驗裝置運(yùn)行必須的基本條件；高壓用戶輔助實驗室主要為高溫高壓大體積材料研究系統(tǒng)（吉林大學(xué)）的各個研究子系統(tǒng)提供樣品的制備、處理和初步的常規(guī)表征。

圖6 輔助設(shè)施構(gòu)成示意圖

裝置項目的運(yùn)行管理及未來前景

實驗裝置建成后，將對國內(nèi)外用戶全面開放。按照國際慣例，依托該裝置成立“國家綜合極端條件科學(xué)中心”，中心實行主任負(fù)責(zé)制以及主任辦公會議制度，對裝置的日常運(yùn)行、人財物、發(fā)展方向、科研規(guī)劃、研究生及科研服務(wù)等方面進(jìn)行全面管理。通過設(shè)立流動崗位、聘用兼職人員等創(chuàng)新型開放管理模式，吸引國內(nèi)外杰出人才和頂尖科研團(tuán)隊來進(jìn)行研究。嚴(yán)格確保全面對外開放機(jī)時，最大限度地發(fā)揮出此大國重器的技術(shù)優(yōu)勢，為把我國建設(shè)成在凝聚態(tài)物理、物質(zhì)材料等諸多前沿研究領(lǐng)域，具有世界一流的水平，提供強(qiáng)有力的保障[4]。

我國經(jīng)濟(jì)已轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，創(chuàng)新是提高經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量的最重要動力?？萍紕?chuàng)新，尤其借助于技術(shù)先進(jìn)的實驗設(shè)備儀器這一“利器”，極大地促進(jìn)和解放了生產(chǎn)力的發(fā)展，人類文明的演進(jìn)史、特別是近現(xiàn)代工業(yè)革命發(fā)展史，都已說明這一點。定位于世界一流技術(shù)水平的實驗裝置，將對我國社會、經(jīng)濟(jì)和科技產(chǎn)生重大影響。此大科學(xué)裝置的建設(shè)，將為解決我國材料、能源、信息等領(lǐng)域的重大科學(xué)問題提供最先進(jìn)的公共實驗裝置；為科學(xué)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新研究提供持續(xù)性的重要支撐，勢必促進(jìn)國家綜合國力的提升和競爭力。