語音播報
2月26日,國家重大科技基礎設施——綜合極端條件實驗裝置(以下簡稱“裝置”)通過國家驗收,這標志著我國建成了國際先進的同時具備極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等極端條件綜合實驗能力的用戶裝置。
記者從項目建設法人單位中國科學院物理研究所了解到,裝置于2017年得到國家發(fā)展和改革委員會的正式立項批復,并于同年9月底開工建設。建設地點為北京市懷柔區(qū)和吉林省長春市,項目建設規(guī)??傆?4281.1平方米,其中北京部分總建筑面積48000平方米,吉林部分總建筑面積6281.1平方米。裝置主要建設內容為:建設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)調控系統(tǒng)、超快條件物質研究系統(tǒng)等實驗系統(tǒng),以及相關的實驗輔助設施和土建工程。
四大系統(tǒng),提供前所未有的實驗平臺
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子系統(tǒng)、綜合極端條件光譜測量子系統(tǒng)、強磁場核磁共振測量子系統(tǒng)、極低溫強磁場掃描隧道測量子系統(tǒng)、極低溫原位掃描隧道角分辨光電子譜測量子系統(tǒng)、高壓原位多物理量系統(tǒng)測量子系統(tǒng)。建成了低溫、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、磁性、核磁共振、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測量平臺。中國科學院物理所周睿研究員介紹說,在強磁場下,不僅可以改變物質的電子結構,顯示出新的量子效應,還能根據(jù)材料在強磁場的響應下,探究物質的電子結構信息。在超高壓下,可以縮短物質本身的原子間距,形成全新的物質狀態(tài)?!氨热缡?,在加壓后,可以華麗蛻變成鉆石。僅僅是加磁加壓還是不夠的,我們還要觀察,對物質的物性進行全方位的測量,這就是我們說的物性表征,我們可以給強磁場、極低溫和高壓環(huán)境下的物質進行聲、光、電、熱、磁等全方面的表征,讓我們對它有個全面的了解?!?/p>
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子系統(tǒng)、液體環(huán)境高溫高壓極端條件實驗子系統(tǒng)。主要建設固體環(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。形成了一個完整的高溫高壓大體積材料研究體系,主要建設固體環(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)調控系統(tǒng)包括亞毫開極低溫實驗子系統(tǒng)、極低溫固態(tài)量子計算研究子系統(tǒng)、低溫強磁場低維電子波譜學實驗子系統(tǒng)。建成了亞毫開極低溫實驗條件、極低溫極弱場超導量子計算條件、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實驗手段,形成超導拓撲等量子態(tài)專用調控平臺。中國科學院物理所李沛嶺副研究員講解說,當溫度接近絕對零度時,物質的基本構成粒子像分子,原子甚至是電子就不像高溫那么活躍,它們會安定下來,來自外界的干擾也會大大減小,這時候一些脆弱的量子效應會變得更加明顯且容易捕捉?!熬拖窈永锏聂~,一有擾動就四散消失,但當我們將水都變成冰,魚就被凍住穩(wěn)定下來,魚的各種特征就能通過準確且全面的觀察確定下來?!?/p>
超快條件物質研究系統(tǒng)主要建設飛秒激光、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測量平臺和時間分辨的結構成像平臺,包括:飛秒激光超快實驗子系統(tǒng)、阿秒激光超快實驗子系統(tǒng)、超快X射線動力學實驗子系統(tǒng)、超快電鏡與電子衍射實驗子系統(tǒng)。中國科學院物理所董朔副研究員介紹說,“在超快光場下,秒不再是最低的時間計算單位,在這里,我們的最小時間單位是阿秒,是秒的一億億分之一。拍照時,我們不斷按相機快門可以記錄下物質的運動,那在超快光場的實驗室里,我們就擁有一個超級快速的相機快門,記錄下原子、分子、電子的運動,了解物質內部發(fā)生的全部變化?!?/p>
綜合極端條件實驗裝置為材料科學、物理學、化學等領域的研究提供前所未有的實驗平臺。中國科學院物理研究所研究員、裝置首席科學家呂力表示,借助裝置,科研人員可以開展非常規(guī)超導、拓撲物態(tài)、新型量子材料與器件等方面的研究工作,并可在物理、材料、化學和生物醫(yī)學等領域開展超快科學研究,探索極端時空尺度上的物質結構信息和動力學信息,在若干重點領域方向產出一批關鍵性、原創(chuàng)性、引領性重大科技成果。
開放共享,提升基礎研究國際競爭力
物態(tài)調控是物理學研究造福人類社會的重要途徑。當前,美國、歐洲、日本等發(fā)達國家都競相在極端條件領域投入大量的人力和物力,展開激烈的競爭。美國佛羅里達強磁場實驗室、法國格勒諾布爾的尼爾研究所和歐洲強磁場中心、日本東京大學固體所極端條件實驗室、德國馬普量子光學研究所及核物理研究所等都擁有先進的極端條件實驗設施。裝置的建成和驗收極大提升了我國在物質科學及相關領域的基礎研究與應用基礎研究綜合實力,對推動我國科技進步具有關鍵作用。
裝置采取“邊建設、邊運行”的模式,自2022年首批實驗站對外開放,到2023年全部實驗站開放共享,現(xiàn)已進入了常態(tài)化運行階段。目前,裝置已經開放課題申請5個批次,批復機時超過35萬小時,已提供機時超過20萬小時,用戶涵蓋國內外眾多高校和科研機構。依托該裝置,科研人員已經取得了若干處于世界領先水平的基礎研究成果和示范性技術突破,例如發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子反?;魻栃⒗锏卤つ獱柤ぷ?,在高壓誘導發(fā)光材料研究等方面取得突破,實現(xiàn)超導量子計算、極高場超導磁體的物性測量系統(tǒng)和無液氦稀釋制冷機等關鍵技術的國產化等。
未來,裝置將成為國際科技合作與交流的重要平臺,面向全球開放,吸引全球頂尖科學家和團隊前來開展合作研究,提升我國在國際科技舞臺上的影響力。
通過跨學科的研究團隊和項目合作,裝置還有望催生新的研究方向和科學問題,開拓新的研究領域,吸引集聚一批頂尖人才和領軍人才,培養(yǎng)一批青年人才,穩(wěn)定一批工程技術人才,為我國極端條件科學研究的持續(xù)發(fā)展提供堅實的人才保障。
與此同時,裝置還將加大開放共享力度,力爭在設施建成初期就早出成果、多出成果,并瞄準出好成果、出大成果的目標不斷提升裝置運行效能。
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