綜合極端條件實驗裝置（吉林大學部分）實驗大廳。新華社發

科研人員在綜合極端條件實驗裝置（懷柔）超快光場物性研究系統實驗站調整光路。新華社發

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在極端條件量子態調控系統進行科研工作。新華社發

位於北京懷柔的中國科學院物理研究所“綜合極端條件實驗裝置”。新華社發

在北京懷柔科學城，有一個“走極端”的科研世界。這裡的溫度接近絕對零度，磁場強度高達26特斯拉，300吉帕斯卡的超高壓已接近地心壓力，光場時間尺度精確到阿秒級別……科研人員在這樣的極端條件下，探索著物質世界的奧秘。日前，綜合極端條件實驗裝置（以下簡稱“裝置”）在懷柔科學城通過國家驗收。這標志著國際先進的，同時具備極低溫、超高壓、強磁場和超快光場等極端條件綜合實驗能力的用戶裝置在我國建成。

打造“走極端”的科研環境

“您現在站的位置，磁場強度大約是地球磁場的10倍。不過別擔心，只要您沒有佩戴心臟起搏器，這種強度的磁場對您不會有任何影響。”中國科學院物理研究所研究員周睿每次向來訪者介紹裝置的強磁場核磁共振實驗站時，語氣都很輕鬆，但總讓來訪者“心頭一顫”。不過這座裝置的真正實力，遠不止於此。地下1.8米的深處才更是它的“魔力”所在：那裡有著比宇宙背景溫度還要低幾千倍的極低溫環境，以及比地球磁場強數十萬倍的超強磁場。

“裝置的核心目標，是通過極端的實驗條件，調控和研究物質的量子態。”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介紹。

為什麼要追求這樣的極端條件？“從科學發展的歷史來看，每一次工業革命都伴隨著對物質狀態的深入理解和調控。第一次工業革命是對氣體和液體的調控，第二次是對電磁場的調控，第三次則是對微觀電子態的調控。而現在，我們正進入量子態調控的時代。”呂力說。

為了實現對量子態的精確調控，裝置目前具備四個極端的實驗條件：極低溫、強磁場、超高壓和超快光場。其中，極低溫環境可以降至0.05開爾文，比室溫低十萬倍以上，接近絕對零度﹔強磁場則達到了26特斯拉，是地球磁場的50萬倍﹔高壓環境可以模擬地心壓力，達300吉帕﹔而超快光場的時間分辨率達到了阿秒級別（1阿秒=10-18秒），能夠捕捉電子運動的瞬間。

“極端條件讓我們能夠研究一些平時無法接觸到的物質狀態。”呂力舉例，“比如在極低溫下，某些材料會表現出超導特性;在強磁場中，電子的行為會發生奇特的變化。這些現象在常規條件下是無法觀測到的。”

在裝置的極低溫實驗站，一間“小黑屋”顯得格外神秘。這裡有著低於1毫開爾文的極低溫環境，任何微小的干擾——哪怕是門口有人走過帶來的震動，或是極微弱的光線——都會導致系統升溫。中國科學院物理研究所副研究員李沛嶺一直負責極低溫實驗站的建設，他把這裡比作一個“巨大的冰箱”，外層是室溫，但通過一層層的隔熱設計，最核心的區域能夠保持比室溫低十萬倍的極低溫。

“為什麼需要這麼低的溫度？”記者道出心中的疑惑。

“在逼近絕對零度的極限溫度下，物質呈現全新狀態，微弱的量子效應將顯現，一些材料還會出現超導現象。但量子態非常脆弱，隻有在極低溫環境下才能穩定存在。”李沛嶺解釋道，“比如量子計算，它依賴於量子比特的穩定狀態，而熱量會產生噪聲，破壞量子態。所以我們必須把溫度降到極低，才能讓量子計算機正常工作。”目前，科研團隊在裝置內自主研制了頂部插杆式氦三制冷機、稀釋制冷機等多款“冰箱”，可以提供1開爾文至1毫開爾文的極低溫環境。在這些技術的支撐下，他們搭建起量子計算機——最高數量達136量子比特的夸父（Quafu）量子計算雲平台。

在另一棟建筑裡，裝置的超快光場實驗站也令人驚嘆。阿秒激光系統以72阿秒的時間分辨率，捕捉原子尺度下的晶格運動和電子行為。“這就像是用一台超高速相機，不過一眨眼的工夫，阿秒激光系統就已按動上百萬億次‘快門’，拍下電子運動的每一幀畫面。”中國科學院物理研究所副研究員董朔說，“通過這些數據，我們可以更好地理解材料的物理性質，甚至設計出更高效的光伏材料。”

目前，綜合極端條件實驗裝置的極端條件物性表征系統、極端條件量子態調控系統、超快動力學表征系統等位於懷柔科學城，高溫高壓大體積材料研究系統位於吉林長春。這些極端條件可以拓展物質科學的研究空間，彼此還能“強強聯合”，實現綜合化、集群化，促進新物態、新現象、新規律的發現。

大膽想象 追求極致

強磁場核磁共振實驗站位於地下，實驗室的建設從挖坑開始。而這看似簡單的第一步，卻讓科研人員費盡了心思。為了保証實驗裝置的高精度運行，任何微小的金屬雜質都不能留在坑內。然而，施工方在建設過程中難免會遺落一些螺絲、腳手架零件等鐵質材料。這些看似不起眼的小東西，卻可能對未來的實驗造成巨大影響。

“當時我們特別謹慎，因為一旦回填土埋上，再發現問題就晚了。”周睿回憶道。為了確保萬無一失，科研團隊決定親自上陣，用最“土”但最有效的方法——拿著大磁鐵和金屬探測器，檢查每一寸土地。

“我們買了很多磁鐵，每個人拿著一塊，像探寶一樣在土裡掃來掃去。”周睿笑著說。每當磁鐵吸住什麼東西，大家就會立刻停下來，仔細檢查是不是鐵質材料。即使是一顆小小的螺絲釘，也要被清理出來。

“現在回想起來，當時大家這種極致追求是非常必要的。”周睿感慨道。正是這種對細節的極致追求，為后續實驗裝置的穩定運行打下了堅實基礎。

在實驗室的建設過程中，科研人員還遇到一個棘手的問題：強磁場設備的液氦消耗量遠超預期。“強磁場設備需要持續通電，而電流通過導線時會產生大量熱量，導致液氦快速蒸發。”周睿介紹，最初，設備每天消耗的液氦量高達幾百升，這不僅增加了運行成本，還影響了實驗的穩定性。

“我們一開始對這個問題估計不足，液氦消耗得太快了。”周睿回憶道，為了解決這個問題，團隊開始了大膽的嘗試。他們首先改進了導線的材料，使用超導材料包裹導線，成功將液氦消耗量降低了一半。

但這還不夠。當時團隊中有科研人員進一步提出：將導線盡可能靠近磁場中心，以減少電流的傳輸路徑。“這個想法聽起來簡單，但實際操作風險很大，因為磁場中心的環境非常復雜，稍有不慎就可能導致設備損壞。”周睿解釋說。

經過多次計算和實驗，團隊最終成功將導線安裝到了靠近磁場中心的位置。這一大膽的創新，使液氦消耗量再次大幅降低，設備的運行效率也得到顯著提升。

“這些都是一步步嘗試出來的，剛開始我們也不敢輕易動手。但我們相信，隻有大膽想象、追求極致，才能在科學探索的道路上走得更遠。”如周睿所說，這正是“追求極端”的科研人員的風格。

利用極端條件做出更多突破

“未來我們絕不僅僅是被動地服務用戶，而是要主動利用這些極端條件，做出原創性的突破。”李沛嶺充滿期待地說。裝置目前已經具備了四個極端指標，但在李沛嶺看來，它的潛力遠不止於此。它的隱藏優勢，比如極低的噪聲、超低的電子溫度，以及多溫度下的高低頻測量手段，正在逐漸被發掘。“許多用戶在其他地方無法觀測到的現象，在這裡卻能清晰捕捉，這正是裝置獨特優勢的體現。”李沛嶺說。

“我們不僅要追求更極端的條件，還要在相同條件下，做更多事情。”李沛嶺解釋說。未來的目標不僅僅是把溫度降到更低，或者把磁場做到更強，還要在這些極端條件下，開發更多實驗手段，讓科研人員能夠更便捷地測量、更深入地探索。

智能化也是裝置未來發展的重要方向。隨著人工智能技術的飛速發展，科研團隊正在思考如何將AI與實驗過程深度融合。“我們有海量的實驗數據，目前科研人員也能從數據中發現規律，但人工智能可以幫助我們挖掘更多被忽略的細節。”李沛嶺舉例道：“就像最近很火的DeepSeek，如果借助類似的AI技術，我們可以從整體上分析數據，發現我們可能沒有注意到但非常有價值的一些實驗數據。”

未來，裝置將不僅僅是一個硬件平台，更是一個智能化的科研生態系統。“通過構建自動化設備和智能數據分析系統，團隊可以更高效地處理實驗數據，甚至發現全新的物理規律。”李沛嶺期冀道，“我們希望通過智能化，讓裝置不僅是一個工具，更是一個‘科研伙伴’。”

在人才培養方面，裝置所在的懷柔科學城也有著獨特的優勢。這裡不僅有先進的實驗條件，還有濃厚的科研氛圍。定期的國際會議、論壇和講座，為科研人員提供了與國內外同行交流的機會。“用戶帶著他們的想法來，我們提供獨特的實驗條件，這種碰撞常常能激發出新的靈感。”李沛嶺說。

“在這裡，每一次實驗都是對自然規律的深刻探索，每一次突破都是對科學極限的重新定義。我們希望通過這樣的氛圍，培養出更多敢於想象、勇於創新的科研人才，不斷突破前沿科技。”談及未來，呂力充滿期待。

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