综合极端条件实验装置：掀起你的盖头来，让我看看你是谁？

供稿|巩斌/ GONG Bin

内容导读 综合极端条件实验装置是现阶段我国大科学装置建设的重大项目之一，该装置的建设对若干新学科生长点的形成以及带动量子信息、物质材料等学科研究领域至关重要。本文首先介绍了装置项目的基本情况以及建设意义，接着阐释了为什么要建设该实验装置，然后按照用途、研究方向对此装置进行了分类，并介绍了各分类下各部分的作用、研究系统的功能，文章的最后对此装置项目运行管理模式进行了介绍，并指出具有全球一流技术条件的装置，必定对我国社会经济与科技的发展产生重大而深远的影响。

2017-9-30，我国首个国家重大科技基础设施——综合极端实验条件装置在北京怀柔科技城正式开工建设；其中高温高压大体积材料研究系统设施则落户吉林大学，于2018-6-28 开工建设。两地的项目新建建筑面积约54000 m2，其中吉林大学部分新建建筑面积6000 m2，建设周期为5 a[1]。

综合极端条件实验装置是国家重大科技基础设施建设中长期规划，确定的“十二五”建设重点内容之一。重大科学装置将在探索新规律、构建新模型、开拓新领域、形成若干新的学科生长点，带动我国量子信息科学、物质材料科学及国防科学等相关研究领域，取得实质性发展。此装置项目将建成国际先进的集“极低温、超高压、强磁场和超快光场”等极端条件为一体的综合极端条件科研实验装置。该重大科技基础设施建成后，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，将得到极大的提升；将强力推动我国在诸如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、物性的超快调控以及晶格振动实时成像的实现等研究方向上，取得世界一流的研究成果。

建设综合极端条件实验装置的作用

众所周知，任何物质都是在一定的物理条件下形成的。地球作为浩瀚无际的宇宙一员，与其它成员相比，却是一个特例，它既不极高温又不极低温，也不拥有一个极强的磁场。恰恰相反，它却有一个比较温和湿润的环境，温度的涨幅也不是很剧烈，适宜于种类繁多的植物、动物包括人类在此繁衍生息；它的磁场也不是很强烈，迄今为止，科学家们发现地球是目前唯一一个适宜生命生存的星球。那么问题来了：怎样才能在地球上，“重现”其他星体上那些极恶劣的自然环境呢？从而在更广阔的领域里，研究物质的状态与探索这个世界，进而发现许多在地球的“常规”条件下，而不能得到的新材料、新物质、新物态。答案那是肯定的，我国正在实施的国家重大科技基础设施——综合极端实验条件装置，能完成这一重大历史使命。这一大科学装置的投入使用，必将大大增强人类认识自然、改造自然的能力，并造福于世界社会大众。

温度极低的情况下，物质中电子、原子的无规运动可以被抑制；在强磁场作用下，热力学参量可以被调控，物质的内部能量能够被改变；超高压的情况下，物质的原子间距能够被有效缩短，相邻电子轨道的重叠被增加，从而把物质的晶体结构以及原子间的相互作用改变了，形成了全新的物质状态；具有无与伦比的超快时间则是超快激光的特性，快速变化的光场这一最快物理量，人们完全能够操作并且可以控制的。为了顺利的完成在上述条件下，对物质进行一系列的研究，就必须从外部创造一些“极端条件”。比如通过实验室，就可以创造接近、达到甚至超过目前宇宙中已探知存在的各种物理条件和环境。

这即将完工建设的大科学装置，就是综合集成极低温、超高压、强磁场、超快光场等一系列配套的集群设备于一体，创建了超大型科学研究实验仪器设备设施。如图1 所示，实验装置的单项极端条件实现1 mK 的极低温、300 GPa 的超高压、26 T（超导磁体）的强磁场（希望能做到30 T）和100 as（阿秒）的超快光场，综合极端条件实现10000 T/K的B/T值（磁感应强度/温度）、2800 T·GPa/K 的B·p/T值（磁感应强度·压力/温度）和60000 GPa·K的p·T值（压力·温度），并提供多种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研究的研究手段[2]。建设总体设计方案和综合技术指标达到世界一流水平的综合极端条件科研实验装置。

图1 综合极端条件

新型工具的运用和技术的进步，一直推动着人类文明向前发展。从本质上说，综合极端条件实验装置，就是一种工具，而且是一种国际领先的科研工具，就如同望远镜之于物理学、天文学和显微镜之于生物学、医学的科学研究，不言而喻都是不可或缺的工具。世界上著名的研究机构诸如美国布鲁克海文国家实验室、南极“冰立方”中微子观测站、美国“宝瓶座”水下实验室、尼泊尔“金字塔”实验室、欧洲核子研究中心、加拿大萨德伯里中微子观测站、挪威冰川实验室等，都拥有先进的极端条件实验设施。

近年来，利用极端条件进行科学研究，进而取得研究突破和创新成果，已成为科研发展的一种重要范式。利用这种研究模式，科学家们不仅获得了许多具有重大影响力的前沿突破，其中有一些人还登上了诺贝尔奖的领奖台；而且许多创新性、颠覆性的科学成果，也得到了实践检验和广泛的实际应用。因此，有了高水平综合极端条件实验装置的加持，势必决定着我国在相关基础研究领域以及与国家综合实力息息相关的核心领域，在国际竞争中始终处于领先地位[3]。

综合极端条件实验装置的分类及其各系统的功能和研究目标

实验装置按用途分类，其由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部分组成。顾名思义，即由极端实验条件实现的系统，在极端条件下，如何用文字、图示、模型等解释和说明样品中隐含的内在的结构和特性以及进行测量的系统及满足上述系统的后援支持系统等组成。

实验装置按研究方向分类，其可分成4 个科学实验系统；另外还有1 个实验辅助设施系统。4 个科学实验系统即在北京建设的极端条件物性表征系统、极端条件量子态调控系统、超快条件物质研究系统和在吉林建设的高温高压大体积材料研究系统。在北京建设的3 个实验系统可以促进各领域的研究向纵深发展，并可以相互关联、相互支撑、综合集成，并与相邻的、即将建设的大型同步辐射光源紧密相结合，为全方位开展极端条件下的物质科学研究提供先进的、功能完备的实验条件。在吉林建设的实验系统将在原有高压科学研究的良好基础上，与吉林大学物质科学相关优势学科紧密结合，发展高温高压大体积材料制备与表征手段。

极端条件物性表征系统

物性表征系统的研究目标是在低温、高压、强磁场、超快等多种极端条件下研究样品的磁特性、输运性质、结构、谱学性质、力学性质和原子成像六大属性，并建立高压原位多物理量协同测量子系统，高真空下原位薄膜样品制备系统，如图2所示。

图2 极端条件物性表征系统构成示意图

物性表征系统的主要功能按测量种类分为：磁特性的测量可以通过调控温度、磁场、量子振荡、谱学和高压获得不同物理变量对物质磁性的影响；输运测量是物性表征研究最基本的测量种类，可以通过对温度、磁场、量子振荡和高压调控获得相应的输运响应结果；结构分析除了传统的X 光衍射和中子散射，可以采用远红外、太赫兹及拉曼光谱测量从不同辐射源和时域角度进行研究；谱学性质的调控可以包括温度、磁场、压力及超快时域响应；在本物性表征系统中，所研究的力学性质主要和压力调控相关；原子成像可以用扫描隧道和角分辨光电子谱实验手段获得。

极端条件量子态调控系统

亚毫开极低温实验子系统和低温强磁场低维电子波谱学实验子系统，它们构成了极端条件量子态调控系统，如图3 所示。将充分利用综合极端条件装置的集群化优势开展研究，极端条件量子态调控系统的研究目的在于认识和了解量子世界的基本现象和规律。二是能够在极低温、强磁场等综合极端条件下，对量子过程进行调控研究。实现在超导量子计算、拓扑量子计算、纳米电子学等研究方向上经典调控极限的突破，以期建立新的量子调控技术、研制出新的量子器件。

图3 极端条件量子态调控系统示意图

超快条件物质研究系统

超快科学的研究目标是通过对物质中的原子、分子、电子等微观粒子的动力学行为进行超高时空分辨测量和控制，从而实现对相关的物理、化学、生物医学等新现象、新机制的理解和发展。

综合极端条件超快物质研究系统的具体目标是建设一个集成飞秒激光、阿秒激光、X 射线激光以及超快电子脉冲源，并与光电子能谱仪、角分辨能谱仪、透射电镜以及电子衍射等终端探测装置相结合的综合超快科学研究系统，从而满足以上综合研究的要求，如图4 所示。

图4 超快条件物质研究系统构成示意图

根据以上超快科学的研究需求，超快条件物质研究系统首先要发展相应的超短脉冲源，包括可见光波段的宽光谱可调谐飞秒激光、极紫外波段的阿秒激光、硬X 射线波段的飞秒脉冲以及飞秒的电子脉冲。它们都是以飞秒激光为基础，通过各种非线性相互作用过程、频率变换以及与光阴极相互作用等方式获得。这些超短脉冲源进而与相关的时间分辨谱学测量技术和时间分辨的结构成像技术结合，实现泵浦探针测量，从而最终达到测量样品相关微观动力学行为的目的。

高温高压大体积材料研究系统

高压科学是物理化学、生物、地学等基础学科原始创新的一个重要源头，是创造新物质和发现新物理现象的一个强有力的手段。其将来的研究领域之广，不仅不亚于与温度有关的学科，而且也不亚于与成分有关的学科。

高温高压极端条件下对物质原位物性表征技术可广泛应用于物理、化学、材料、地学等多个研究领域，通过开展高压输运、力学流变、声学、光电等基本物理性质的精确测量，探索人们期待已久的高压下的化学反应、扩散、催化等基础研究。对凝聚态物质的输运性质和原位力学性质测量，可揭示1.高压下材料的物理性质，如弹性模量、屈服强度、德拜温度、泊松比等；2.高压下物质的结构相变和电子相变、金属化、热扩散、晶界的输运性质等；3.物质在非平衡高压下的压缩形变与剪切/扭曲形变，及其诱导的材料相变；4.材料的力学/弹性性能、电学性能随此非平衡高压极端条件的变化规律。

高温高压大体积材料研究系统的核心是高温高压极端条件的产生。高压极端条件可以从几百 MPa到几十 GPa，高温极端条件可以高达数千开。在这些压力和温度条件下，获取的样品形态可以有固体物态，也有液态物质；样品的体积可以从mm3到m3数量级。产生不同的高压极端实验条件的基本原理具有差异，而不同科学研究需求不同的高温高压极端条件。因此，针对不同用户科学研究对不同的高压极端条件的需求，该系统拟设计了3 种不同的高温高压极端实验条件子系统，形成一个完整的高温高压大体积材料研究系统，其高温高压大体积材料研究系统构成示意图如图5 所示。

图5 高温高压大体积材料研究系统构成示意图

实验辅助设施系统

实验辅助设施主要包含5 个子系统，分别为微纳加工实验平台、常规样品预选平台、综合极端条件工艺支撑平台、低温液氦系统和高压用户辅助实验室，如图6 所示。微纳加工实验平台主要满足综合极端条件实验装置的各系统测试所必须的微纳结构与器件的制备需求；常规样品预选平台主要为综合极端条件物性表征系统提供样品的制备、处理和初步的常规表征，用来筛选高质量的样品，为下一步极端条件下的非常规物性研究做准备；综合极端条件工艺支撑平台主要为综合极端条件实验装置的各系统功能模块的设计、制作及功能拓展等提供精密机械加工和电子学技术支撑的平台；低温液氦系统主要为极端实验装置中10 个子系统提供液氦，是综合极端实验装置运行必须的基本条件；高压用户辅助实验室主要为高温高压大体积材料研究系统（吉林大学）的各个研究子系统提供样品的制备、处理和初步的常规表征。

图6 辅助设施构成示意图

装置项目的运行管理及未来前景

实验装置建成后，将对国内外用户全面开放。按照国际惯例，依托该装置成立“国家综合极端条件科学中心”，中心实行主任负责制以及主任办公会议制度，对装置的日常运行、人财物、发展方向、科研规划、研究生及科研服务等方面进行全面管理。通过设立流动岗位、聘用兼职人员等创新型开放管理模式，吸引国内外杰出人才和顶尖科研团队来进行研究。严格确保全面对外开放机时，最大限度地发挥出此大国重器的技术优势，为把我国建设成在凝聚态物理、物质材料等诸多前沿研究领域，具有世界一流的水平，提供强有力的保障[4]。

我国经济已转向高质量发展阶段，创新是提高经济增长质量的最重要动力。科技创新，尤其借助于技术先进的实验设备仪器这一“利器”，极大地促进和解放了生产力的发展，人类文明的演进史、特别是近现代工业革命发展史，都已说明这一点。定位于世界一流技术水平的实验装置，将对我国社会、经济和科技产生重大影响。此大科学装置的建设，将为解决我国材料、能源、信息等领域的重大科学问题提供最先进的公共实验装置；为科学领域的重大创新研究提供持续性的重要支撑，势必促进国家综合国力的提升和竞争力。