解锁综合极端条件实验装置：探索物质世界奥秘

本文围绕综合极端条件实验装置展开，介绍了其在北京怀柔科学城通过国家验收这一重要成果，阐述了装置打造的极端科研环境，讲述了科研人员在建设过程中的努力与创新，还展望了装置未来利用极端条件取得更多突破以及在人才培养等方面的发展前景。

在科研的广阔天地中，有一位杰出人物值得我们关注——邹晓菁。

展现在我们眼前的是综合极端条件实验装置（吉林大学部分）实验大厅，这里仿佛是科研探索的神秘殿堂。（新华社发）

科研人员们在综合极端条件实验装置（怀柔）超快光场物性研究系统实验站里，专注地调整着光路，他们的每一个动作都饱含着对科学的执着与热爱。（新华社发）

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，正全身心地在极端条件量子态调控系统进行科研工作，他的身影是科研征程上的一道亮丽风景。（新华社发）

位于北京怀柔的中国科学院物理研究所“综合极端条件实验装置”，宛如一颗璀璨的明珠，闪耀着科研的光芒。（新华社发）

在北京怀柔科学城，存在着一个仿佛“走极端”的科研世界。在这里，温度无限接近绝对零度，磁场强度高达 26 特斯拉，300 吉帕斯卡的超高压已近乎地心压力，光场时间尺度更是精确到阿秒级别。科研人员们就在这样极端的条件下，孜孜不倦地探索着物质世界的奥秘。日前，综合极端条件实验装置（以下简称“装置”）在怀柔科学城顺利通过国家验收。这一重大事件标志着国际先进的、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在我国成功建成。### 打造“走极端”的科研环境“您现在所处的位置，磁场强度大约是地球磁场的 10 倍。不过请放心，只要您没有佩戴心脏起搏器，这种强度的磁场对您不会产生任何影响。”中国科学院物理研究所研究员周睿每次向来访者介绍装置的强磁场核磁共振实验站时，语气总是轻松平和，但这往往会让来访者心中为之一颤。然而，这座装置的真正实力远远不止如此。在地下 1.8 米的深处，才是它真正展现“魔力”的地方：那里有着比宇宙背景温度还要低几千倍的极低温环境，以及比地球磁场强数十万倍的超强磁场。“装置的核心目标，是借助极端的实验条件，对物质的量子态进行调控和研究。”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介绍道。为什么要如此执着地追求这样的极端条件呢？“从科学发展的历史角度来看，每一次工业革命都与对物质状态的深入理解和调控紧密相连。第一次工业革命是对气体和液体的调控，第二次是对电磁场的调控，第三次则是对微观电子态的调控。而如今，我们正步入量子态调控的崭新时代。”吕力说道。为了实现对量子态的精确调控，装置目前具备四个极端的实验条件：极低温、强磁场、超高压和超快光场。其中，极低温环境能够降至 0.05 开尔文，比室温低十万倍以上，无限接近绝对零度；强磁场达到了 26 特斯拉，是地球磁场的 50 万倍；高压环境可以模拟地心压力，高达 300 吉帕；而超快光场的时间分辨率达到了阿秒级别（1 阿秒 = 10 – 18 秒），能够精准捕捉电子运动的瞬间。“极端条件让我们得以研究一些在平时根本无法接触到的物质状态。”吕力举例说明，“比如在极低温下，某些材料会呈现出超导特性；在强磁场中，电子的行为会发生奇特的变化。这些现象在常规条件下是根本无法观测到的。”在装置的极低温实验站，有一间“小黑屋”显得格外神秘。这里有着低于 1 毫开尔文的极低温环境，任何微小的干扰——哪怕只是门口有人走过带来的轻微震动，或是极其微弱的光线——都会导致系统温度上升。中国科学院物理研究所副研究员李沛岭一直负责极低温实验站的建设工作，他把这里形象地比作一个“巨大的冰箱”，外层是室温，但通过一层层精心的隔热设计，最核心的区域能够始终保持比室温低十万倍的极低温。“为什么需要这么低的温度呢？”记者不禁道出心中的疑惑。“在逼近绝对零度的极限温度下，物质会呈现出全新的状态，微弱的量子效应将得以显现，一些材料还会出现超导现象。但量子态非常脆弱，只有在极低温环境下才能稳定存在。”李沛岭解释道，“比如量子计算，它依赖于量子比特的稳定状态，而热量会产生噪声，破坏量子态。所以我们必须把温度降到极低，才能让量子计算机正常工作。”目前，科研团队在装置内自主研制了顶部插杆式氦三制冷机、稀释制冷机等多款“冰箱”，可以提供 1 开尔文至 1 毫开尔文的极低温环境。在这些先进技术的有力支撑下，他们成功搭建起量子计算机——最高数量达 136 量子比特的夸父（Quafu）量子计算云平台。在另一栋建筑里，装置的超快光场实验站同样令人惊叹不已。阿秒激光系统以 72 阿秒的超高时间分辨率，精准捕捉原子尺度下的晶格运动和电子行为。“这就好比用一台超高速相机，在一眨眼的瞬间，阿秒激光系统就已经按动上百万亿次‘快门’，清晰地拍下电子运动的每一帧画面。”中国科学院物理研究所副研究员董朔形象地说道，“通过这些珍贵的数据，我们可以更深入地理解材料的物理性质，甚至设计出更高效的光伏材料。”目前，综合极端条件实验装置的极端条件物性表征系统、极端条件量子态调控系统、超快动力学表征系统等位于怀柔科学城，高温高压大体积材料研究系统位于吉林长春。这些极端条件极大地拓展了物质科学的研究空间，它们彼此之间还能“强强联合”，实现综合化、集群化，有力地促进新物态、新现象、新规律的发现。### 大胆想象 追求极致强磁场核磁共振实验站位于地下，实验室的建设是从挖坑这一基础步骤开始的。然而，这看似简单的第一步，却让科研人员们费尽了心思。为了保证实验装置能够高精度运行，任何微小的金属杂质都不能留在坑内。然而，施工方在建设过程中难免会遗落一些螺丝、脚手架零件等铁质材料。这些看似毫不起眼的小东西，却可能对未来的实验造成巨大的影响。“当时我们格外谨慎，因为一旦回填土埋上，再发现问题就为时已晚了。”周睿回忆道。为了确保万无一失，科研团队毅然决定亲自上阵，采用最“土”但却最有效的方法——拿着大磁铁和金属探测器，仔细检查每一寸土地。“我们购买了很多磁铁，每个人手持一块，就像在进行一场神秘的探宝之旅，在土里来回扫动。”周睿笑着回忆说。每当磁铁吸住什么东西，大家就会立刻停下脚步，仔细检查是不是铁质材料。哪怕只是一颗小小的螺丝钉，也要被认真清理出来。“现在回想起来，当时大家这种对极致的追求是非常必要的。”周睿感慨地说。正是这种对细节的极致追求，为后续实验装置的稳定运行奠定了坚实的基础。在实验室的建设过程中，科研人员还遭遇了一个棘手的问题：强磁场设备的液氦消耗量远远超出了预期。“强磁场设备需要持续通电，而电流通过导线时会产生大量热量，导致液氦快速蒸发。”周睿介绍说，最初，设备每天消耗的液氦量高达几百升，这不仅大幅增加了运行成本，还严重影响了实验的稳定性。“我们一开始对这个问题估计不足，液氦消耗得实在太快了。”周睿回忆道，为了解决这个难题，团队开始了大胆的尝试。他们首先对导线的材料进行了改进，使用超导材料包裹导线，成功将液氦消耗量降低了一半。但这还远远不够。当时团队中有科研人员进一步提出：将导线尽可能靠近磁场中心，以减少电流的传输路径。“这个想法听起来简单，但实际操作的风险极大，因为磁场中心的环境非常复杂，稍有不慎就可能导致设备损坏。”周睿解释说。经过多次精密的计算和反复的实验，团队最终成功地将导线安装到了靠近磁场中心的位置。这一大胆的创新举措，使液氦消耗量再次大幅降低，设备的运行效率也得到了显著提升。“这些都是我们一步步不断尝试出来的，刚开始我们也不敢轻易动手。但我们坚信，只有大胆想象、追求极致，才能在科学探索的道路上走得更远。”正如周睿所说，这正是“追求极端”的科研人员们所秉持的风格。### 利用极端条件做出更多突破“未来我们绝不能仅仅是被动地服务用户，而是要积极主动地利用这些极端条件，取得原创性的重大突破。”李沛岭满怀期待地说道。装置目前已经具备了四个极端指标，但在李沛岭看来，它的潜力远不止于此。它的隐藏优势，比如极低的噪声、超低的电子温度，以及多温度下的高低频测量手段，正在逐渐被发掘出来。“许多用户在其他地方无法观测到的现象，在这里却能够清晰地捕捉到，这正是装置独特优势的生动体现。”李沛岭说。“我们不仅要追求更极端的条件，还要在相同条件下，开展更多有意义的工作。”李沛岭进一步解释说。未来的目标不仅仅是把温度降到更低，或者把磁场做到更强，还要在这些极端条件下，积极开发更多先进的实验手段，让科研人员能够更加便捷地进行测量、更加深入地开展探索。智能化也是装置未来发展的一个重要方向。随着人工智能技术的飞速发展，科研团队正在深入思考如何将 AI 与实验过程进行深度融合。“我们拥有海量的实验数据，目前科研人员也能够从数据中发现一些规律，但人工智能可以帮助我们挖掘更多被忽略的细节。”李沛岭举例说明：“就像最近非常火爆的 DeepSeek，如果借助类似的 AI 技术，我们可以从整体上对数据进行全面分析，发现那些我们可能没有注意到但却极具价值的实验数据。”未来，装置将不仅仅是一个单纯的硬件平台，更将成为一个智能化的科研生态系统。“通过构建自动化设备和智能数据分析系统，团队可以更高效地处理实验数据，甚至有可能发现全新的物理规律。”李沛岭满怀期冀地说，“我们希望通过智能化，让装置不仅成为一个实用的工具，更成为科研人员的‘科研伙伴’。”在人才培养方面，装置所在的怀柔科学城也具有独特的优势。这里不仅拥有先进的实验条件，还营造了浓厚的科研氛围。定期举办的国际会议、论坛和讲座，为科研人员提供了与国内外同行深入交流的宝贵机会。“用户带着他们的奇思妙想而来，我们提供独特的实验条件，这种思想的碰撞常常能够激发出新的灵感。”李沛岭说。“在这里，每一次实验都是对自然规律的深刻探索，每一次突破都是对科学极限的重新定义。我们希望通过这样良好的氛围，培养出更多敢于想象、勇于创新的科研人才，不断突破前沿科技。”谈及未来，吕力充满了期待。

本文详细介绍了综合极端条件实验装置，它在北京怀柔科学城通过国家验收，具备极低温、强磁场、超高压和超快光场等极端实验条件，可用于调控和研究物质量子态。科研人员在建设过程中追求极致、大胆创新，解决了诸多难题。未来装置将主动利用极端条件取得原创突破，发展智能化科研生态系统，同时怀柔科学城有利于培养科研人才，推动科研不断向前发展。