极低温不足宇宙背景温度的千分之一、超高压接近地心压力、强磁场是地球磁场的50万倍以上……2月26日，“十二五”国家重大科技基础设施综合极端条件实验装置通过国家验收，这标志着我国建成了国际先进的同时具备极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件综合实验能力的用户装置。2月25日，记者来到怀柔科学城，探访综合极端条件实验装置。
强磁场核磁共振实验站。中国科学院物理所供图
“强强联合”，集多个“极端条件”于一体
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手段。任何物质都是在一定的物理条件下形成的，通过使物理实验条件达到极端状态，可以形成许多在常规物理条件下不能得到的新物质和新物态，大大拓展人们认识自然、改造自然、造福人类的能力。
当前，美国、欧洲、日本等竞相在极端条件领域投入大量人力和物力，展开激烈竞争。美国佛罗里达强磁场实验室、法国格勒诺布尔的尼尔研究所和欧洲强磁场中心、日本东京大学固体所极端条件实验室、德国马普量子光学研究所及核物理研究所等都拥有先进的极端条件实验设施。
综合极端条件实验装置于2017年9月底开工建设，是怀柔科学城首个开工建设的国家重大科技基础设施项目，中国科学院物理研究所为主要建设单位。与其他大科学装置相比，综合极端条件实验装置最大的特点在于综合化、集群化，每个极端条件“强强联合”，科研人员可以在这里进行“一站式”研究。
“装置的特点是集合了多项极端条件，包括超高压、极低温、强磁场和超快光场。”中国科学院物理所副研究员李沛岭说，几个极端条件有鲜明的指标——
极低温达到小于1mK（毫开尔文）的极低温，不足宇宙背景温度的千分之一；超高压达到300GPa（1GPa=10亿帕斯卡），接近地心压力；强磁场即超导磁体磁场达到26T（特斯拉），是地球磁场的50万倍以上；超快光场即约100as（阿秒）的超短脉冲，相当于一台能捕捉到万万亿分之一秒画面的“高速摄影机”。
“装置能够实现极端温度、压力、磁场等条件并综合使用，可以提供多种在综合极端条件开展材料制备、物性表征、量子调控和超快动力学过程的研究手段，为材料科学、物理学、化学等领域的研究提供前所未有的实验平台。”李沛岭说，装置将促进新物态、新现象、新规律的发现，助力我国在物质科学及相关的多个前沿研究领域达到国际一流水平，力争在新型高温超导体的发现、非常规超导机理的突破、量子计算核心技术的突破以及物性的超快调控等研究方向取得国际一流的研究成果。
综合极端条件实验装置主要建设包括极端条件物性表征系统、高温高压大体积材料研究系统、极端条件量子态调控系统、超快条件物质研究系统等实验系统。装置的共建单位为吉林大学，其中，高温高压大体积材料研究系统位于吉林省长春市。
制冷机达到极低温，确保量子计算准确性
综合极端条件实验装置包括物性研究平台、量子调控平台、超快动力学物性表征平台等，几个平台有机结合，将助力新材料的合成、新现象的发现和新器件的制备。
在量子调控平台，多个实验站和设备正在运行。在这些实验站中，科研人员借助仪器把温度不断降低，当温度接近绝对零度（0开尔文，零下273.15℃）时，热运动接近停滞，原本微弱的量子效应就会显现出来，甚至一些材料会显示出超导现象。
超导指的是某些材料在低温环境下，电流通过时，电阻为零的现象。如果把超导材料比喻成高速公路，电流看成车辆，那么电流这辆车在超导的路上行驶，就完全不会产生任何油耗。目前超导现象还依赖于低温环境，如果研究出室温超导体，电力能源传输、网络和数据传输、医学诊疗都将有极大的变化。
在实验站中，一台物理所自主研发的顶部插杆式氦3制冷机吸引了大家的关注。为了接近绝对零度，科学家们基于不同技术原理发明了各种制冷机。其中，氦3制冷机代表了最基础的技术，与空调使用氟利昂为制冷剂不同，这样的制冷机以氦3作为制冷剂，其最低温度大约是300毫开尔文。
据李沛岭介绍，这台自主研发的氦3制冷机能够达到300毫开尔文的超低温度，打破了国际上对先进低温设备的封锁，指标达到国际一流水平。“我们用传送杆把样品传送到最低温环境的部位，从而观测一些特殊的量子物理现象。”
在氦3制冷机的基础上，科学家们研发了稀释制冷机，通过氦4稀释氦3提高制冷上限，其制冷极限可降至约10毫开尔文。实验站中，有一台庞大的、插着众多蓝色管线的稀释制冷机。“大家可以将其理解为一个原始的量子计算机，量子芯片放在制冷机最中间的位置。由于量子态十分脆弱，任何一点噪声、温度的干扰就会使量子计算过程失败，我们需要一个高保真的计算过程，就要用制冷机提供低温低噪声的环境。”李沛岭说。
不同于经典计算比特只能处于0和1两个状态，量子比特是0和1的叠加态，带来了超强的并行计算能力，可以实现相对于传统计算机的“量子优越性”。基于这台量子计算机形成的夸父量子计算云平台，已经连续两年入选中关村论坛十大重大科技成果。
“这里还有一个白房子，它是一间电磁屏蔽室，为的是隔绝外界任何极微小的能量输入，房子里的就是装置中产生最低温的设备。”李沛岭说，这台核绝热去磁制冷机预期目标是小于1mK（毫开尔文），达到“亚毫开”温区。这样的温度是什么概念？正常室温是300开尔文，宇宙背景温度是2.7开尔文，1毫开尔文不足宇宙背景温度的千分之一。在这个温度下，科研人员可以预期发现一些新的物理态。
极低温超导量子器件调控实验站。中国科学院物理所供图
强磁场达到26T，24小时运转可维持一个月以上
磁场虽然看不见，却真实存在于我们周围。通过改变磁场的强度，存在于磁场内部的物质会改变状态，反映出物质的微观结构。强度越高，变化越明显，结构分析越准确。比如医院的核磁检查，就是根据人体内部分子在磁场作用下的反应快速寻找病变位置等信息。
在物性表征系统的强磁场核磁共振实验站，26T强场核磁共振系统正在运行，其核心设备包括26T高均匀度全超导混合磁体、稀释制冷机和核磁共振谱仪。中国科学院物理所研究员周睿介绍，系统的优势是使用了高温超导材料。
“其他设备的电磁铁用铜线做导线，加电流发热后需要大量的水去冷却，能源消耗和占地面积比较大。我们的系统使用了高温超导材料作为磁体，可以承受非常高的磁场，达到26T，是地球磁场的60万倍。而医院核磁共振的磁场一般为1.5T和3T。”他说，磁体用液氦进行冷却，能耗较低，占地仅有100平方米，可以24小时运转，维持时间最长可以达到一个月以上，方便科研人员对材料进行很多精细测量，了解其在极低温和高压下的表征。
强磁场用于哪些研究？他说，目前科研人员主要研究在强磁场下，高温超导材料的性质变化和物理机制。同时，通过量子材料的变化寻找新的物态，发现新的现象。“我们研究的很多材料是在低温或者强磁场下发现的。未来，科研人员将尝试改变材料性质或者构筑器件，让它们在现实室温中的环境下去实现，产生新的应用。”
谈及未来的应用场景，他举例说，目前医院核磁共振检查是在设备腔体内放入磁体，再用液氦冷却，成果很高，所以检查费用很贵。未来如果高温超导材料得到进一步研究并使用，无需使用液氦，成本将大大降低。
超快“相机快门”，记录下原子、分子、电子的运动
拍照时，我们不断按相机快门可以记录下物质的运动。在超快光场的实验室里，科研人员拥有一个超级快速的相机快门，记录下原子、分子、电子的运动，了解物质内部发生的全部变化。
据中国科学院物理所副研究员董朔介绍，很多新型的材料具备新的性能，这些性能是由电子和晶格的运动驱动的，超快光场实验室的实验手法就是用超短脉冲进行探测，用超级快的快门去记录电子和晶格的运动过程。
“在超快光场下，秒不再是最低的时间计算单位。在这里，最小时间单位是阿秒，是秒的一百亿亿分之一。”她说，肉眼可以观察的毫秒是千分之一秒，更小的单位是微秒、纳秒、皮秒、飞秒、阿秒、仄秒等。1飞秒是1秒的一千万亿分之一，飞秒级脉冲可以用于眼科手术、精密加工等。阿秒是人类真正在实践层面计时的最短时间单位，目前世界上产生的最短阿秒脉冲为43阿秒。2023年诺贝尔物理学奖得主就因研究“物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”而获奖。
董朔介绍，超快科学研究平台包括飞秒超快实验站、阿秒超快实验站等5个实验单元。“目前我们的‘快门’可以达到72阿秒，未来希望可以突破50阿秒。”她说，阿秒的产生本来就是前沿科学问题，传统方法依赖于飞秒激光与惰性气体相互作用，近年研究已拓展到固体甚至液体介质。所以实验室一方面要提升技术水平，把“快门”做到更快，也就是产生更短的阿秒脉冲，深入挖掘新型产生机制，使其走出实验室进行实际生产生活应用，另一方面要利用现有的“快门”去开展基础科学探索。
科研人员在阿秒实验站进行实验。中国科学院物理所供图
装置已提供机时超过20万小时，取得多项成果
据中国科学院物理所怀柔研究部主任、综合极端条件实验装置首席科学家吕力介绍，目前，装置已经开放课题申请5个批次，批复机时超过35万小时，已提供机时超过20万小时，用户涵盖国内外众多高校和科研机构。
依托2022年开始试运行的装置，科研人员已经取得了若干处于世界领先水平的基础研究成果和示范性技术突破，例如发现分数量子反常霍尔效应、里德堡莫尔激子，在高压诱导发光材料研究等方面取得突破，实现超导量子计算、极高场超导磁体的物性测量系统和无液氦稀释制冷机等关键技术的国产化等。
装置已经成为国际科技合作与交流的重要平台，面向全球开放，吸引全球顶尖科学家和团队前来开展合作研究，提升我国在国际科技舞台上的影响力。
通过跨学科的研究团队和项目合作，装置还有望催生新的研究方向和科学问题，开拓新的研究领域，吸引集聚一批顶尖人才和领军人才，培养一批青年人才，稳定一批工程技术人才，为我国极端条件科学研究的持续发展提供坚实的人才保障。
“装置还将加大开放共享力度，力争在设施建成初期就早出成果、多出成果，并瞄准出好成果、出大成果的目标不断提升装置运行效能。”吕力说。
新京报记者 张璐
编辑 白爽 校对 薛京宁
