综合极端条件实验室装置报告(2018年)

2019年12月7日23:43:40综合极端条件实验室装置报告(2018年)已关闭评论 61 views

吕力, 综合极端条件实验室装置

建设“综合极端条件实验装置”这一想法,是物理所在2001年成立了极端条件实验室之后逐渐形成的。物理所为了推动在北京怀柔建设这一大科学装置,于2004年成立了筹备小组。金铎老师在这个战略布局中起了很大的作用。今天几位老师都在座,我汇报中有不清楚不恰当的地方,可请教金老师等前辈。

大家都知道我们的宇宙,它是来自于一次大爆炸,从高热、高压、高温的状态膨胀了以后,慢慢冷却,冷却到一定的程度,我们就有了一些星系,有恒星,有地球这样的行星。在压力、温度非常温和的环境里面,就产生了生物,像我们这样的人类。人类作为宇宙的一部分,现在想要知道,我们从什么地方来?将来往哪个地方发展?也思考这些大的问题。

在这个过程当中,工具的应用,一直是起着至关重要的作用。望远镜的发现,导致了天文观测等等方面的进展,导致了牛顿力学的建立。显微镜的发明,使得我们看到了细菌,对生物学发展起到了非常重要的贡献。欧洲的强子对撞机,这是目前地球上最大的科学仪器,前段时间发现了希格斯粒子,我们认识自然、改造自然,这个过程当中,工具起着至关重要的作用。

我们在地球上的生活环境是一个相对温和的环境。但这只是一个特例。在宇宙中,高温、高压、强磁场等极端条件比比皆是。我们要在实验室里建的这个极端条件,极低温度要比宇宙的背景辐射2.7K低一千倍(2.7mK),强磁场比地球的磁场高50万倍(约30T),压力要达到地心的压力(约380GP),超快的光场要达到电子振动的时间单位(阿秒=10-18秒)。

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图1综合极端条件

科学研究像探险一样,你站的更高就能看的更远,你挖地越深就能发现更多的宝藏。我们目前的研究条件叫常规条件,通常比较容易达到。我们希望拓展研究空间到更广的范围,可以研究更多的现象,这就是我们的综合极端条件装置研究想要达到的目的。

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图2极端条件调控范围

综合极端条件可以大大拓展物质科学的研究空间,为解决当前科学技术中的疑难问题,为发现新物态、探索新现象、开辟新领域,创造前所未有的机遇。过去很多年,利用不断拓展的条件,人们发现了很多非常重要的现象。如1985、1996、1997、1998、1999、2001、2003、2005年等多次诺贝尔物理奖的获得者,都是借助极端条件取得创新和突破。现在综合极端条件的运用已经变成了科学研究取得突破的重要范式。

以极低温为例,3He超流的发现获1996年物理诺贝尔奖,3He有很多个相,有的相还是超导的。3He的物态是多个极端条件的函数,与温度、压强和磁场相关。整数量子霍尔效应的发现获1985年诺贝尔物理奖,当时实验条件是1K温度和8T磁场,不是很极端,但那个年代也是很不容易。

我们这个装置,2004年物理所成立怀柔基地筹备小组,2007年科学院承担了一个财政部的项目,叫“综合极端条件系统”,实际上这些是我们怀柔这个大项目的前期研究。2007年到2016年期间,经历了很长时间,非常的不容易,丁洪从美国回来后,有一段时间一直牵头做这件事情。到2016年国家发改委正式批复项目建议书。2017年批复了可行性报告、初步设计及概算,去年的9月28号“综合极端条件实验装置”项目正式启动。现在一年过去了,目前仍处于基建阶段,在建的实验楼基本封顶了。

在申请的过程当中,跟教育部、吉林大学联合,一起作为共建单位。我们在北京还有合作单位,超导磁体和电工所合作,还有个别项目是和北大与清华合作。

下图是我们在建综合极端条件实验系统的建筑设计图。

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图3建综合极端条件实验系统的建筑设计图

主要包括极端条件物性表征系统、高温高压大梯级材料研究系统、极端条件量子态调控系统、超快条件物质研究系统、公共辅助设施系统,还有土建工程。北京的建筑面积是48000平方米,发改委批复总投资近16个亿,北京近14个亿,建设周期是5年。大概分两步走,第一步是跟北京同步辐射光源没直接关系的独立装置,主要包括低温、高压、磁场、激光,在系统里把激光一起综合进来,有一定的特色,称为一期。第二步把建立的独立装置和北京的同步辐射光源结合起来,称为二期。

全部装置分成三大块。第一块是极端条件下的材料表征系统,北京部分主要利用低温、强磁场。高压综合极端条件研究材料的物性。长春部分在吉林大学,主要侧重高温高压大体积材料的研究。第二块是极端条件下的量子态调控系统,主要是在非常低的温度下对量子态进行调控。第三块是研究超快过程。我们将围绕综合极端条件,建立一系列研究测量的配套设施,如磁性测量、热学测量、输运测量、结构分析、磁性测量、力学性质测量、超快谱学成像等等。一共分成4个系统,17个子系统。还有辅助设施、低温工厂、加工平台等。

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图4“综合极端条件实验装置”构成图

“综合极端条件实验装置”的主要指标包括:最低温:1mK,最高压:300GPa,最高磁场:26T;时间分辨:亚飞秒。最高磁场的指标是26T,但我们希望做到30T。

我们希望“综合极端条件实验装置”建成后,第一能够实现极低温、强磁场和超高压条件下的多种先进物性和材料的表征测量,为解决物质研究中的关键科学问题提供有力的实验支撑。第二,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,在超导量子计算、拓扑量子计算、纳米电子学等研究方向上突破经典调控的极限,建立新的量子调控技术,研制出新的量子器件。第三,能够集成多种超快辐射源,对原子、分子、固体以及表面中的微观超快动力学行为进行科学研究。

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图5极端条件下的材料表征系统

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图6极端条件下的量子态调控系统

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图7超快条件物质研究系统

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图8超快电镜和超快电子衍射

“综合极端条件实验装置”建设项目去年9月份开始动工,希望到明年的这个时候楼都盖好。现在已经开始订各种各样的仪器设备,到明年这个时候可以到货了,我们开始安装调试。到2022年,整个这个项目要验收。组织管理方面我就不仔细说了。谢谢大家。

金铎:综合极端条件实验室的立项和规划

物理所建设的这个设施叫做综合极端条件设施,我想讲一讲工程设计的主要情况。所有的技术背景、学术背景、科学背景,以及要建设什么内容,是吕力负责,而且吕力是整个工程的首席负责人,所以他讲是最合适的。酝酿了好长时间,好多年,现在好不容易开工了,进行开工初期的工作非常忙,他能来也非常不容易。

我是从酝酿这个项目开始,到形成项目内容,是跟吕力他们一起来完成讨论,也跟院里和发改委一起,参加这个项目。所以我就想讲讲这个项目酝酿的过程,形成的由来。主要的意思,想介绍一下像我们物理所这样一个研究所,历来是从事中小规模研究课题的研究,最后出现了要建设一个大科学装置。

在座的有搞激光、光学的,还有高压的,我是搞低温的,我们也有同事搞磁学、强磁场。物理所对极端条件的研究,极低温、强磁场、高压和超强激光的装置非常熟悉,我们原来的这些不属于大科学装置,现在的叫法是“重大科学基础设施”,而传统上的是比较中小型的。

我从院里岗位上退下来以后,十多年来一直帮助发改委做大科学装置的规划工作,布局和项目遴选。也看了一些资料,发现在很早以前,人们把极低温的工作认为是大科学,但后来时间不长很快就把工作排除到大科学之外了,因为它的科学形态和大科学不一样。

无论从装置的规模、研究队伍,它就是小团队研究,是领头科学家小团队的研究。小组在这儿研究一个小课题,或者几个组联合起来,研究一个课题,但并不太大,而且研究也没有特别的要相互配合的计划,服务对象就是自己,自己给自己做装置,自己来进行研究。物理所这几个装置做了跟多了,从国家支持来说,就是支持一般的研究经费,很多经费都需要团组自己去争取。但是后来渐渐的,这方面的研究工作有了转变,就向大科学设施转变。

我要介绍一下大科学设施的特点,大家一般就觉得这个设施规模大、尺度非常大,包括了非常大的装置,包括我们知道的天文望远镜、加速器等。规模大不是主要的,它为什么有这么大规模呢?有的甚至形成系统,就是它非常完整的,为一些大科学研究计划所必须的一些设施,同时又是许多单位、许多队伍联合起来进行研究,所以研究队伍非常大,这样一来,设施就规模大,技术也就非常复杂。这样的设施,往往是由国家专门投资来建设,做一个国家拥有的一个研究设施。这就决定了它的性质,这个设施是国家所有,全社会所拥有,而不是一个单位或一个部门,不是科学院所有,也不是物理所所有,更不是研究室的。一般的那些仪器,它的拥有权是下面的单位,国家队伍来插手的这个重大科技基础设施,大科学装置,这是国家所有,国家委托某个单位、某个部门来管理,国家包着这个设施的所有的经费。我们已经开始鼓励企业、产业投入来支持,但是从原来的建设经费,完全是国家出,运行经费,国家完全包了,还有所有的研究经费,也是从国家申请,国家委托。那么在我们国家现在形成了建设经费由发改委出,运行经费由财政部专门支持,发改委建了一台装置,财政部负责每年拨运行经费,运行经费也是非常巨大,财政部拨的比例就是建设经费的十分之一,拨给每年的运行经费,运行十年就把建设经费超过了,所以财政部的拨款远远大于建设经费的。当然还有科技部、基金委等单位,要负责支持研究经费。也正是因为这样,这个设施必须是开放共享,向全社会开放,包括国内的,甚至是国际的。当然学术界之外的,他想研究,也可以申请来用,用于科学研究的目的也是完全免费的,不需要付经费,只需要自己带着仪器来接入测量,只负责自己那部分就可以了。在重大基础设施运行上面,我说的不完整,但主要的特点都表现在这里,跟中小型仪器那是完全不一样,中小型仪器是属于小组的、研究室的,或者公共实验室等研究机构,但重大科学基础设施完全是国家的。

极端条件设施里,强磁场首先纳入到重大科学基础设施里面,国际上也是如此。首先它建得很大,技术非常复杂,而且必须要建强磁场,你就不能说只建一个,而是20天、30天、40天,就一系列的建起来。所有这些有公共的供电系统,公共的冷却系统,一个一个单独弄,每一个用电都很大,如果分布得很广的话,民间也不允许。比如说我们建国家强磁场实验室的时候,到好几个城市去调研能否建在他那儿?一说用电当地就反对,因为好几十兆的功率,对民用电很大干扰。合肥有留出的地方,当时无论上海、北京都不接受,因为支撑条件要求太大了,它的冷却等需大量的用水,都是很大的负担,所以要建大型的运行系统,需要一支大型的队伍,包括服务的工程技术型人员。最重的是在这样的系统上,可承载国家级的,甚至是国际合作的非常巨大的研究项目,这是单个小设施,单个小仪器没法承担的工作。正因为如此,服务对象和用户非常多,遍及整个科学界,甚至国际上的用户也非常多,就像我们合肥的装置,它每年很多人到这儿进行研究,因为这是世界上唯一的一台全超导的装置,所以也就满足大家将来在上面要做相当多的原理性的工作,这就成为国际合作非常热的平台。

超强激光系统也纳入了大科学设施系统。极低温、高压等,都非常熟悉,原来都算是大型的仪器,但还算中型以下的,综合起来以后发展成为重大的基础设施,首先是由它的研究性质来决定。在极端条件的设施方面,出现了个新的重要的方向,是跟光源和中子源结合,形成诊断仪器中间的一部分。像美国、欧洲,都把极端条件的设施建在跟光源同步,跟中子源一道,未来光源和中子源都是具有极端条件的设施,自然就成为大科学设施的一个部分。

我们自在研究的时候发现,不仅仅需要单个的极端条件,而且需要不同极端条件的组合。这个组合往往带来很大的新问题,就是在组合的极端条件下,不一定能够运转得很好。低温和强磁场是矛盾的、是排斥的,我们怎么组合好,取得最佳的性能。单个极端条件不具备的科学问题,技术问题,使得这方面的研究成为具有专门性的研究,需要有专门的科学知识,和专门的技术知识,技术条件。所以就形成了追求性能最佳的综合极端条件设施这样一个新的需求,成为了新的方向。最终发展使得综合极端条件,成为一个规模相当大、技术非常复杂,远远超过以前的单台设备,这样的一个大科学设施。

我们所建立世界上第一台综合极端条件大科学设施,提出来之前,好像还没有其它国家提出来。我们提出来以后,在国际交流中间,发现其它国家非常认可,也都觉得他们原来为什么没有想到,他们可能也要建设这方面的设施。

我的介绍就是这些内容,我觉得今后发展的方向有两方面,一个是刚才说的,我们要继续参加北京光源的建设,把技术条件和北京光源结合在一起,成为能力更强的大科学设施。综合极端条件本身,还有继续提升的能力,要扩展综合极端条件设施的能力和性能。象超强超快激光,无论是高压还是极低温,都有很大提升的空间,所以这两方面的工作,希望能够做好准备,并且适时给出这两方面升级的工作。我最后有一点体会,就是无论是大科学还是小科学研究,当然没有专用名词叫“小科学研究”了,但比起大科学研究来说,这两方面都是重要的,没有哪一方面是可以替代的,都是为探索科技前沿,具有不可替代的地位和作用,都不可偏废。但我们也应该看到,随着科学发展,有些原来小规模的研究工作,逐渐的向大规模研究发展,从而出现了更多要依托大科学设施来进行研究,甚至依托设施群来研究的一些工作,也就是发展成为,或者一部分的发展成为大科学的研究。对于科研机构来说,必须敏锐的觉察到这种变化和需求,及时的提出新的发展和建设的措施,这样一些措施提得及时,可能会推进后续多年的发展,如果失去机会,也可能会被别人抢占了高地,可能非常遗憾。我自己的体会,物理所抓住了这个机会,现在联合高校一起,建设北京综合性的国家科学中心,全国现在只建三个综合科学中心,一个在北京建的怀柔。第二个是在上海建,已经开建了,而且可能走得比北京还要快得多。第三个就是在合肥。这样三个综合性的国家科学中心开建以后,全国各地纷纷都来争取,觉察到这种需求,及时的提出建设的方案,这是非常关键的,有很大的作用。

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