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）。
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。
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。
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。
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。
图5极端条件下的材料表征系统
图6极端条件下的量子态调控系统
图7超快条件物质研究系统
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。
