吕力（前排左一）团队在极低温强磁场量子输运和调控实验站进行研讨。物理所供图

■本报记者 韩扬眉

发现分数量子反常霍尔效应和里德堡莫尔激子态，解决超导量子计算难题，攻克国产无液氦稀释制冷机和极高场全超导磁体等关键实验技术……

在这一系列突破背后，有一个共同的“助力者”——中国科学院牵头建设的综合极端条件实验装置。

“十四五”期间，综合极端条件实验装置正式建成。它包含位于北京怀柔科学城的极端条件物性表征系统、极端条件量子态调控系统、超快条件物质研究系统，以及位于长春吉林大学校区的高温高压大体积材料研究系统等。实验装置的关键和核心指标均实现自主可控，处于国际先进水平。装置采用边建设、边运行的模式，从2022年1月部分设备投入试运行以来，科学家通过“走极端”——利用极低温、强磁场、超高压、超快光场等极端条件，探索物质科学奥秘，不断拓展科学认知。

如今，装置已进入平稳运行期。“综合极端条件实验装置使我们可以在更广阔的范围内，探索新的科学现象，发现新的物质状态，造福人类社会。”综合极端条件实验装置首席科学家、中国科学院物理研究所（以下简称物理所）怀柔研究部主任吕力说。

拓展认知

从北京怀柔上空俯瞰，绵延绿意中有一个建筑群引人注目。这里占地4.8万平方米，是综合极端条件实验装置所在地，也是怀柔科学城第一个开工建设的国家大科学装置。

物理学的发展促进人类认识自然并造福人类。然而，随着理论模型、实验技术的进步和发展，要想取得新突破，需要将实验条件推向极限状态。在极端条件下，材料会表现出常规条件下无法呈现的特征物性，可能会揭示自然界的基本规律、物质新状态等。

事实上，自1985年以来，科学家利用一种或多种极端条件取得多项获得诺贝尔奖的创新成果，如整数量子霍尔效应、激光冷却原子、阿秒光脉冲及电子动力学方法等。“借助综合极端条件取得创新突破，已成为科学研究的一种重要范式。”吕力说。

在新一轮的科技竞争中，中国科学家必须争取“先发优势”。物理所深知作为国家战略科技力量成员，肩负着重要的使命担当。

综合极端条件实验装置建成了从材料制备、结构和物性表征，到综合极端物态调控，再到器件制备和性能测试的全链条一站式研究平台，包括物性表征平台、量子调控平台、超快动力学表征平台和高温高压大体积材料研究平台4个实验平台，形成了解决凝聚态物理重大科学问题的建制化研究平台。

“探索过程就像‘盲人摸象’，大家一起来探索，就容易知道是大象还是其他东西。”吕力说。

不论资排辈

创造极端条件，需要一批“走极端”的人。物理所研究员周睿就是其中代表。

周睿从物理所博士毕业后，前往法国国家科学研究中心国家强磁场实验室深造。那时，综合极端条件实验装置还只是纸上勾勒的“蓝图”。在法国3年半，周睿开展了基于水冷磁体等先进强磁场技术的高温超导材料研究和大装置运行维护工作。

装置建设时，周睿回国并承担强磁场核磁共振测量系统的研制任务。

“最大的难点是如何基于高温超导磁体进行整个强磁场测量系统的设计。”周睿谈及建设历程时说，“我们当时建设的这种基于高温超导材料的磁场系统，国际上有先例但不成熟，最终没能成功运行。”

来自中国科学院电工研究所和物理所的科研人员反复讨论，边做边摸索，逐步解决了问题。最终，他们成功自主研制了高稳定度、高均匀度、26特斯拉高磁场强度的全超导磁体。地球磁场约为0.5高斯，足以牵引指南针，而超导磁体磁场是它的50多万倍。

不过，这还未达到装置的极限。“国外类似系统仅运行了一年就损坏了，而我们至今未出现类似故障，系统的使用边界目前仍不清晰。同时，用户也提出了高压、极低温等新需求，我们需要不断摸索，一步步拓展系统的整体能力。”周睿说，他们的目标是做到世界最佳。

在综合极端条件实验装置项目中，像周睿这样的年轻人还有很多，他们像桥梁一样，一头连着科学目标，一头连着装置指标。他们致力于在更“极端”的装置上探索前沿科学。

这些“走极端”的人突破了多项关键“卡脖子”技术，创造了低于1毫开尔文的极低温、大于300吉帕的超高压、高至30特斯拉的全超导磁体、短于100阿秒的超快光场等极端物理条件。

他们放开手、大胆干也得益于物理所的科研文化。“不论资排辈，只要你说得对，所里就支持你去做，不管你的资历和年龄。”周睿说。

科学家手中的“利器”

装置边建设边运行，累计开展了千余个课题的研究，开放机时达42.8万小时。如今，综合极端条件实验装置已成为凝聚态物理领域科学家手中的“利器”。

2023年6月30日，物理所特聘研究员许杨回国正好两年半，他的团队与合作者在《科学》发表了一项重要研究成果。他们首次在实验中观测到了里德堡莫尔激子态，系统展示了对于高阶激子态的可控调节和空间束缚，为实现基于固态体系的里德堡态在量子科学技术领域的应用提供了潜在途径。

事实上，这原本是他并不看好的“备胎”课题。那时，许杨一直想用光学的方法对转角石墨烯中的量子物态进行实验验证。然而，由于各方面条件不成熟，他并未将此作为研究重点，指导学生在做其他研究时“搭”着做了一部分实验。一天，学生意外测得了一个“波浪形”的异常光谱，并确认这不是差错造成的假象，认为背后一定有真实的物理机制存在。这为后来的“里德堡莫尔激子态”的发现奠定了基础。

这一实验便是在装置拉曼实验站上完成的。拉曼实验站为实验提供了测量所需的低温强磁场样品环境、改造电学测量所需的电极部分、辅助搭建光谱测量中所需的光路等。

上海交通大学物理与天文学院副教授李听昕2021年回国。团队初建，因缺少实验设备，他们无法开展极低温测量实验。

随后两年里，他和团队成员多次往返上海和北京。2023年，他与美国团队分别独立发现“分数量子反常霍尔效应”。这一发现的核心数据是在装置亚毫开实验站的先进量子调控测量系统上获得的。实验站提供了极低温测量环境，同时通过严格的电磁屏蔽、滤波和接地处理，有效抑制了空间环境的电磁噪声，使整套测量系统的电压噪声降至10纳伏特以下，为观测分数量子反常霍尔效应提供了关键条件。

类似的成果不断涌现，综合极端条件实验装置持续助力前沿科学发展，创造着无限可能性。

大科学装置的本质是“开放共享”。如今，综合极端条件实验装置立足国内，面向全球开放，国际知名物理学家称其“在国际凝聚态物理界发挥着至关重要的作用”。

“这里已经成为国际科技合作与交流的重要平台。未来，我们期待催生新的研究方向和科学问题，吸引并培养一批优秀人才，为我国极端条件下的物质科学研究提供坚实的人才保障。”吕力说。

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