中央紀委國家監委網站 王珍

位于中科院物理所懷柔園區的綜合極端條件實驗裝置全景。（中科院物理所供圖）

能否想象，水在常溫狀态下可以變成冰，大家印象中十分穩定的氧氣也可以變為導體、超導體……

這些神奇的現象之所以能夠出現，緣于壓強的改變。

據介紹，物質的狀态跟溫度、壓強、磁場等因素息息相關。改變溫度、壓強、磁場等物理條件，乃至創造不同的極端條件，可以發現和揭示許多在常規條件下觀察不到的奇異物性，甚至可以得到新的物質存在物态。近年來，利用極端實驗條件取得創新突破，已成為科學研究發展的一種重要範式，也取得了許多具有深遠影響的科學成就。

在北京懷柔科學城，就有這樣一個可以創造多種極端條件的大科學裝置——綜合極端條件實驗裝置。

什麼是極端條件？這個裝置能夠營造哪些極端條件環境？會孕育出什麼科研成果？對提升我國基礎研究與應用基礎研究實力有何作用？記者帶您走近綜合極端條件實驗裝置一探究竟。

極低溫、強磁場、超高壓和超快光場 人為創造極端條件發現奇異物性

11月3日一大早，中國科學院物理研究所懷柔研究部主任、綜合極端條件實驗裝置首席科學家呂力來到位于物理所懷柔園區的辦公室，開始一天的工作。最近，他正忙于綜合極端條件實驗裝置全面驗收、正式投用前的各項準備工作。

“‘遠看是花園、近看是家園’正在成為現實。”看着園區滿園秋色，他不禁向記者回憶起五年前的情景。彼時，綜合極端條件實驗裝置剛剛啟動建設，“那時這裡還是一片空地”。如今的園區已然熱鬧起來，不僅辦公人員多了起來，來自各研究機構的研究人員也越來越多。

今年年初首批通過性能工藝測試的5個實驗站開放普通課題申請時，就收到57份申請，包括36家國内外科研院所、高等院校和高新企業的一線科研團隊。“加上後來陸續有其他實驗站通過性能工藝測試，我們自己的科研人員也開啟了調試實驗等科研活動。”呂力告訴記者，目前，綜合極端條件實驗裝置18個子系統中已有16個完成了工藝測試驗收，“僅首批開放的5個實驗站就已開展約1.4萬小時的極端條件實驗。”

那麼，到底什麼是極端條件？

面對記者的疑問，呂力介紹：極端條件是指在實驗室中人為創造出來達到或接近目前技術極限的特别低的溫度、特别強的磁場、特别高的壓強等，并用超快的“高速攝影機”來觀察實驗現象。

“達到這樣的實驗條件，一直是全世界物理學家的追求。”呂力告訴記者，極端條件下，科學家們可以發現和揭示許多在正常條件下觀察不到的奇異物質特性，從而探索新規律、開辟新應用、合成新材料、制備新器件，拓展我們認識自然、改造自然、造福人類的能力。

在物理學領域，不少諾貝爾獎的獲得正是借助極端實驗條件。“可以說沖破極端條件，取得創新突破已經成為科學研究的一種重要範式。”呂力說，綜合極端條件實驗裝置的建設目标就是為國内外用戶提供國際一流的極低溫、強磁場、超高壓、超快光場等極端實驗條件，用于開展材料合成、物性表征、量子态調控、超快過程等物質科學的前沿研究。

這些條件到底有多極端？呂力給出了一組數據：小于1mK的極低溫、超過300GPa的超高壓、至少26T的全超導磁體強磁場以及約100阿秒的超快光場。

以極低溫為例。物理學領域，有一個絕對零度的概念——0K，也就是零下273.15℃，這在現實中是無法實現的。而綜合極端條件實驗裝置可以實現1mK的極低溫，僅比絕對零度高0.001℃，比宇宙的背景輻射溫度還低幾千倍。

科研人員在調試綜合極端條件實驗裝置的低溫原位掃描隧道-角分辨光電子譜測量子系統。（中科院物理所供圖）

除此之外，還可實現比地球磁場高幾十萬倍的強磁場、接近地心壓力的超高壓，還能把時間“切割”得隻有1秒的一千萬億分之一。

将不同的極端條件“綜合”起來 提供探索未知世界的新維度

值得注意的是，這個裝置不僅可以實現單項的極端條件，還可以将不同的極端條件“綜合”起來。

“這是這個裝置最大的特點。”呂力告訴記者，這極大拓展了物質科學的研究範圍，提供了探索未知世界的新維度，為探索新現象、調控新物态創造前所未有的機遇，“很多重要的現象，它必須在綜合的極端條件下才能出現。就好比你在二維空間走，就不如在三維空間來得廣闊。”

“如果把綜合極端條件下的科學探索過程比喻成探礦尋寶，有了這個綜合極端條件，我們就可以看得比别人更遠、挖得比别人更深，收獲也比别人更多。”呂力說，裝置将助力提升我國基礎研究與應用基礎研究實力。

據介紹，整個裝置包括物性表征樓、掃描電鏡顯微鏡樓、超快光場樓等9棟實驗樓，分成四大塊。一是極端條件下的物性表征系統，可以實現多種極端條件下先進物性和材料的表征測量，可以探索新機理、發現新材料。二是量子态調控系統，在極低溫強磁場等綜合極端條件下對量子過程進行調控研究。三是超快條件物質研究系統，圍繞綜合極端條件，建立一系列研究測量的配套設施，探索物質中超快的運動過程。四是公用輔助設施系統，如低溫液氦系統、微納米加工平台、工藝支撐平台等。

量子态調控系統。（中科院物理所供圖）

裝置的不少實驗系統都屬于“綜合極端條件”，比如物性表征系統中的超高壓極低溫物性測量子系統、極低溫強磁場量子振蕩測量子系統等。“并不是所有的極端條件都可以有效地‘被綜合’，需要找到一個合理的‘平衡點’。”呂力介紹，這也是裝置建設的難點所在。

在極端條件下，物質世界會有哪些新現象、新規律？這裡或将超前一步給出答案。

呂力介紹，近期科研人員依托這一裝置在接近室溫條件超導材料的探索上取得了新的進展。“通常情況下，要在非常低的溫度下才能出現超導現象，在接近室溫條件下實現超導是我們的一個夢想，我們發現在高壓條件下這個夢想就可能實現。”呂力進一步解釋說，倘若實現了室溫超導，将大大降低電力輸送過程中的能耗，帶來電力工業的革命。

此外，綜合極端條件實驗裝置還将為拓撲物态、量子材料與器件等方面的研究，提供尖端實驗手段的支撐，進而為相關材料的人工設計與制備，以及諸多科學難題的破解提供前所未有的機遇。

“将來如果說量子計算能夠做成，碰上有新的病毒來了，我們就有可能很快做出新的抗病毒的藥物。”多年緻力于量子計算研究的呂力，對這一裝置充滿期待，“新物态的探索和調控一直是物理學研究的主要内容。比如調控水的狀态把水變成水蒸氣，人類發明了蒸汽機，掀起了第一次工業革命；調控電磁場的狀态，人類開啟了第二次工業革命，進入電氣時代；調控電子能帶的狀态，導緻了第三次工業革命——信息化。從物理學的角度，我們希望通過繼續調控物質的狀态、物質裡電子的狀态，對第四次工業革命作出貢獻。”

在自主創新中持續取得新突破 打造極端條件“升級版”

稀釋制冷機的設備調試。張文超 攝

在物理所懷柔園區X2樓大廳裡，擺着一台物理所20世紀70年代末研發的稀釋制冷機，這台機器可以把溫度降到0.03K。

呂力告訴記者，在超導量子計算領域，被業外人士稱為“冰箱”的稀釋制冷機是必不可少的實驗設備。通常根據溫區和功能特點的不同，極低溫制冷設備可以分為氦4減壓降溫制冷系統、氦3制冷機、稀釋制冷機、核絕熱去磁制冷機等不同的系列。一段時期以來，我國用于極低溫區科學研究的制冷設備主要依賴進口。

去年，物理所率先自主研發了最低溫度可達10mK以下的幹式稀釋制冷機，消除了固态量子計算研究被“卡脖子”的隐患。

而就在半個月前，中科院物理所再次發布消息：該所成功自主研發極低溫氦3制冷機。

“氦3制冷機具有在百mK溫區制冷功率大的特點，特别适合在該溫區開展各類電學、熱學和譜學實驗，是綜合極端條件實驗裝置量子調控系統的核心低溫設備之一。”提及此，呂力十分自豪，“我們就是要在持續地自主創新中不斷取得新突破，這也是科學家搞科學研究的意義和目的所在，我們希望極端條件能夠極端一點、再極端一點。”

記者了解到，不僅是極低溫，科學家們始終不間斷地探索，緻力于打造更多極端條件的“升級版”。

“工欲善其事，必先利其器，裝置對于科學研究的重要性不言而喻。我們要用自己的行動切實提升我國綜合極端條件科學和技術研究、尖端實驗設備的研制運行能力，提升我國在物質科學及相關領域基礎研究、高技術研究的綜合水平，使我國在該領域的綜合實力步入世界一流水平，助力科技強國建設。”呂力告訴記者，未來，他們充滿信心。

據了解，通過全面驗收後，該裝置将遵循“開放、共享、流動、合作”的運行管理機制，向國内外用戶全面開放。不少科學家對綜合極端條件實驗裝置的正式投用充滿期待，“以前，做極端條件下的實驗要到‘别人家門口’，馬上我們就可以在‘自己家門口’做實驗了！”

裝置簡介

綜合極端條件實驗裝置是綜合集成極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等極端條件的大型科學實驗設施，包括極端實驗條件産生系統、極端條件下的樣品表征和測量系統，以及能滿足上述各系統研制、升級、維護與運行的支撐系統等，可拓展物質科學研究空間，促進新物态、新現象、新規律的發現，提升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。該裝置由中國科學院物理研究所主建、吉林大學共建。