防走失，電梯直達安全島報人劉亞東A
來源：自然系列
作者：Nature Portfolio
綜合極端條件實驗裝置，可為探索神奇的新材料提供極低溫、強磁場和超高壓等極端條件。
位于北京郊外的綜合極端條件實驗裝置，可對樣品進行一系列實體測試。圖檔來源：中國科學院實體研究所
北京
北京郊區有幾幢不起眼的建築，上面标着字母“X”，代表“extreme”（極端）。這裡就是綜合極端條件實驗裝置（SECUF）。世界各地的研究人員将實驗材料置于極端磁場、壓力和溫度環境之中，采用全新技術，擷取高時間分辨率的觀測資料。
綜合極端條件實驗裝置耗資高達2.2億美元。找到電阻為零的全新超導體，是這裡很多研究人員夢寐以求的目标之一。中國科學院實體研究所凝聚态實體學家、綜合極端條件實驗裝置首席科學家呂力說：“不同極端條件的組合，有利于研究人員擷取新發現。”
各國科研機構正競相開發能夠在室溫而非低溫環境下表現出超導特性的材料，而深入了解超導機制對此至關重要。室溫超導材料具有極大優勢，例如提高計算機運算速度、減少電力消耗等。
在極端環境中，各種材料會表現出正常條件下不曾展現的特性。例如，一些看似普通的材料，在高壓、低溫條件下會成為超導體。英國愛丁堡大學從事極端條件工程和儀器研究的實體學家Konstantin Kamenev說，測量超導特性并非易事，這種特性的出現還與測量技術有關。綜合極端條件實驗裝置可同時提供各種極端條件，使研究人員可更全面、更高效地測定樣品特性。實體研究所凝聚态實體學家程金光說：“它就像一站式的商店。”
極限條件工具箱
去年9月，經過一年試運作後，綜合極端條件實驗裝置22個實驗站已投入全面運作。在明亮房間的一角是程金光負責的實驗站。實驗站結合了基于立方六面砧壓腔（在六面施加巨大壓力擠壓材料的裝置）和兩套超導磁體和氦基低溫恒溫器。該實驗站可用于測量材料一系列電子特性。程金光介紹，傳統的金剛石壓砧等高壓裝置能容納與頭發絲寬度相當的樣品，但綜合極端條件實驗裝置的六面砧能夠用于壓縮更大的樣品，更易實作對電子特性的精細觀測。
程金光說，他和同僚利用該裝置已發現數種超導體，包括一種罕見的磁性超導體[1]和一種錳基超導體[2]。
量子振蕩實驗站由兩套超導磁體系統構成，可同時提供超低溫環境。圖檔來源：中國科學院實體研究所
房間另一側的黃色警示牌後，放置着一套強大的超導磁體系統。這是實體研究所凝聚态實體學家周睿及其同僚打造的實驗站，用于極低溫強磁場核磁共振研究。該實驗站可追蹤測量原子核在強磁場中的運動，有助于揭示臨界超導溫度高于-195.8 °C的高溫超導體的超導機制。
綜合極端條件實驗裝置可産生的磁場最高為26T，相較于其它實驗裝置并不算突出，例如美國國家強磁場實驗室由超導磁體和有阻磁體組合而成的混合磁體，可産生高達45T的磁場，保持了世界紀錄；法國國家強磁場實驗室的有阻磁體，磁場強度可達37T，這些磁場耗能較高。周睿介紹，綜合極端條件實驗裝置能耗遠小于其它實驗裝置，是以其穩态磁場維持時間不是幾個小時或幾天，而是長達一個月，這樣研究人員就可以對樣品開展更長時間的實驗。
六面砧壓腔靠牆放置，表面粘貼黑黃相間的警示辨別。相較于其它高壓裝置，它擁有更大的樣品容納空間。圖檔來源：中國科學院實體研究所
這裡還有磁體系統可用于開展其它超導研究。實體研究所的凝聚态實體學家李剛負責的實驗站，結合極低溫與30T、20T超導磁體，測量量子振蕩——一種可用于繪制材料電子“指紋”的實體現象。去年7月，英國劍橋大學的凝聚态實體學家Alexander Eaton和同僚花了兩周時間，利用這個實驗站揭示了罕見超導體二碲化鈾[3]的電子特性。Eaton說：“我們隻有在這裡才能完成想做的實驗。”
多樣組合
超導研究人員在綜合極端條件實驗裝置可采用多種技術手段。浙江大學凝聚态實體學家曹光旱和同僚使用六面砧壓腔和核磁共振測量技術，研究此前意外發現的一種有趣的鉻基材料。曹光旱和同僚将這種材料置于六面砧壓腔中，發現材料可在高壓環境中表現出超導迹象[4]。他們還利用核磁共振實驗站觀測這種化合物的磁特性。在同一地點聯用多種技術手段對樣品開展實驗，可幫助研究人員拓展深度、提高效率。曹光旱說：“這對我們太便利了。”
在綜合極端條件實驗裝置，超導現象并不是研究人員的唯一目标。一些研究人員使用超快光場探索半導體的特性，還有研究人員用一系列儀器來追蹤物質難以捉摸的量子态。程金光表示，實驗裝置向國内外使用者開放，所有申請都會得到平等對待。他補充說，今年的審批程式将更加嚴格，以便給予研究者更充裕的時間，在各實驗站開展工作。
盡管世界各地的研究人員都可使用該裝置，但美國國家強磁場實驗室凝聚态實體學家Ali Bangura認為，這一裝置使中國在室溫超導研究領域更具優勢。他說在同一實驗室提供更多技術手段開展觀測，“大大增加了SECUF獲得重大突破的可能性。”
參考文獻：
1.Yang, P. T. et al. Nature Commun. 13, 2975 (2022).2.Liu, Z. Y. et al. Phys. Rev. Lett. 128, 187001 (2022).3.Weinberger, T. I. et al. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.03946 (2024).4.Liu, Y. et al. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2309.13514 (2024).
原文以Superconductivity hunt gets boost from China’s $220 million physics ‘playground’标題發表在2024年4月29日《自然》的新聞版塊上
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Doi: 10.1038/d41586-024-01192-4