為挑戰極端“而生”，我國“綜合極端條件實驗裝置”由哪幾部分組成？能產生哪些極端條件？

“綜合極端條件實驗裝置”（Synergetic Extreme Condition User Facility, 簡稱 SECUF）坐落于北京市懷柔科學城以及吉林省長春市。該裝置是國家“十二五”期間確定建設的重大科技基礎設施，由中國科學院物理研究所和吉林大學共建，于2017年破土動工，歷經數年建設與調試后，于2025年2月正式通過國家驗收。這標志著我國建成了國際先進的集極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等極端條件于一體的用戶實驗裝置。可以說，綜合極端條件實驗裝置是為開展最前沿的物質科學研究而生的“大國重器”。

極端條件領域的“六邊形戰士”

大家知道，物質的狀態會隨溫度的變化而改變，比如水在不同的溫度下可以是固態的冰、液態的水、或者氣態的水蒸氣。物質的狀態同樣會隨壓強、磁場等其它物理條件的變化而改變。歷史上，人類通過調控水的汽液狀態實現了蒸汽機，推動了機械化工業革命的到來，通過調控半導體的導電態和絕緣態實現了晶體管，推動了信息化工業革命的到來。通過改變物理條件，從而發現并調控物質存在的狀態，一直是物理學家們認識自然的主要手段和造福于人類的主要途徑。

借助極端物理條件把溫度降到極低，把壓力升到極高，或者把磁場推到極強，可以極大拓展物質狀態的調控范圍，有助于發現更多新現象、取得更多新突破，這種范式已經成為當今物質科學研究的一種重要趨勢。國際上，美國、歐洲、日本等已建成了一些以強磁場為核心特色的大型設施；在國內，合肥的穩態強磁場實驗裝置和武漢的脈沖強磁場實驗裝置也已躋身領域的世界前列。

除了把單項極端條件推向極致，多個極端條件的聯用也非常重要。縱觀物質科學研究領域近幾十年的重大發現，不少都是借助多個極端條件的聯用才得以實現的，例如極低溫、強磁場條件下整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的發現、極低溫、強磁場和高壓條件下氦3超流的發現等。多個極端條件的聯用可以大大拓展物質科學的研究空間。而綜合極端條件實驗裝置就是一個注重于將極低溫、超高壓、強磁場與超快光場等極端條件集成在一起的大科學裝置，大部分實驗站能夠同時實現2-3 種極端條件的聯用。套用一個當下流行詞來形容，它就是極端條件物理研究領域的“六邊形戰士”。

綜合極端條件實驗裝置的組成

綜合極端條件實驗裝置與傳統概念中的大科學裝置不同，它并不是一個單獨的裝置，而是由一系列實驗站有機組合而成的集群型大科學裝置。該裝置在北京懷柔共擁有22個實驗站。其中除2個用于技術支撐外，其余20個實驗站全部對用戶開放使用。

綜合極端條件實驗裝置按研究方向分成四個科學實驗平臺，即位于北京市懷柔科學城的“物性表征平臺”、“量子調控平臺”、“超快動力學表征平臺”和位于吉林省長春市的“高溫高壓大體積材料研究平臺”，每一個平臺下面又包含若干個實驗站。這些平臺和實驗站既可以各自獨立促進相關研究領域向縱深發展，又可以相互支撐，為全方位開展極端條件下的物質科學研究提供先進的、功能完備的、甚至是“一站式”的實驗環境。

1、A物性表征平臺

物性表征平臺可實現極低溫、強磁場和超高壓條件下的電輸運性質、磁性、核磁共振、太赫茲和紅外光譜、拉曼光譜、掃描隧道譜、角分辨光電子能譜等多種物性的測量研究，用于探索高溫超導機制、尋找室溫超導體、研究新型拓撲量子材料等。不同實驗手段的探測結果既可以相互印證、也可以相互補充，有助于從更全面的角度深入開展研究工作，為解決物質科學研究中的關鍵科學問題提供強有力的實驗支撐。

2、量子調控平臺

量子調控平臺主要用于開展亞毫開級的極低溫拓撲量子物態實驗、10毫開級的極低溫極弱場超導量子器件調控實驗、10毫開級的極低溫強磁場量子輸運調控實驗，以及百毫開級的低溫強磁場低維電子波譜學實驗。其科學目標聚焦于認識和了解量子世界的基本現象和規律，通過探索新材料、發現新物態、構筑新器件、尋找新的調控機制，實現對量子過程的精確調控與開發，力求在拓撲量子物態、拓撲量子計算、超導量子計算等量子科技前沿領域取得研究突破。

3、超快動力學表征平臺

超快動力學表征平臺可實現飛秒激光、阿秒激光、飛秒X射線及飛秒電子脈沖等超快光場，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。

飛秒和阿秒是什么概念呢？假設把1飛秒當作1秒鐘時，1秒會變成約3200萬年；若將時間尺度再下壓一千倍、把1阿秒當作1秒鐘，1秒便會膨脹至約320億年，該時長甚至遠超宇宙約138億年的年齡。

該平臺主要用于研究超快物理和化學等過程，可在飛秒時間尺度上對原子或晶格運動進行探測、在阿秒時間尺度上對電子運動進行探測、在正空間實現原子尺度分辨并且超快時間分辨的成像（電影），以及在倒格矢空間實現晶格長程有序變化的快速探測等等。

4、高溫高壓大體積材料研究平臺

高溫高壓大體積材料研究系統是國際上規模大、指標先進的高溫高壓極端條件下材料合成和研究平臺，由固體環境高溫高壓、液體環境高溫高壓、非平衡高壓極端條件三大子系統和高壓用戶輔助實驗室組成，在大腔體快速增壓體、液體高壓原位監測和碳化鎢超高壓高溫產生的技術水平方面達到國際領先。國際上首次制備出了超硬非晶碳塊材、隕石中的超級鉆石“六方金剛石”，在纖維增強鎢基復合材料以及高壓誘導發光材料等研究方面取得突破，為“科學研究向極端條件邁進，不斷突破人類認知邊界”提供了源頭創新的裝置和技術支撐。

綜合極端條件實驗裝置能產生的極端條件

綜合極端條件實驗裝置在建成驗收時，已實現了小于1mK（毫開）的極低溫、大于300GPa（吉帕）的超高壓、超過30T（特斯拉）的全超導用戶磁體，和短于100 as（阿秒）的超快光場等單項極端條件；并且實現了10000 T/K的磁場/溫度比、2800 T?GPa/K的磁場?壓力／溫度值、60000 GPa?K的壓力?溫度值，以及4.2K下不高于200 fs（飛秒）的超快光脈寬等綜合極端條件。在后期的持續優化中，綜合極端條件實驗裝置還實現了35.6T的全超導用戶磁體（可用孔徑35毫米），創造了全超導用戶磁體新的世界紀錄，并且把極低溫推進到了0.3mK、把磁場/溫度比推進到了50000T/K、把超快光的脈寬壓縮到了59as，為在綜合極端條件下開展材料制備、物性表征、量子調控和超快動力學過程研究提供了更好的實驗平臺。

裝置運行初見成效

綜合極端條件實驗裝置采取“邊建設、邊運行”的模式，北京部分自2023年初全面向國內外用戶開放使用，在前沿科學研究、關鍵技術突破和產業孵化發展等方面已取得了一些重要進展。在前沿研究方面，已累計批復了近100家單位的1870余個用戶課題，批復的用戶機時超過50萬小時，取得了分數量子反常霍爾效應發現、自旋超固態巨大磁卡效應發現、率先提供鎳基體相高溫超導電性關鍵實驗證據、首次觀測到單晶石墨烯電子摻雜的超導電性等重大研究成果。在產業發展方面，率先研發了10mK溫度以下的國產無液氦稀釋制冷機、孵化成立了中科量儀（北京）科技有限公司，還成功研發了夸父系列超導量子芯片并支持云端訪問運行。

未來，綜合極端條件實驗裝置將被打造成國際科技合作與交流的重要平臺，面向全球開放，吸引頂尖科學家和團隊前來開展合作研究，促進重大原創成果的產生，提升我國在國際舞臺上的影響力。

作者：呂力 中國科學院物理研究所研究員，懷柔研究部主任，綜合極端條件實驗裝置首席科學家

來源：騰訊太空

編輯：丁香葉子

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