中国2亿美元物理学“极限挑战”实验室全面运行，助力超导研究

防走失，电梯直达

来源：自然系列

作者：Nature Portfolio

综合极端条件实验装置，可为探索神奇的新材料提供极低温、强磁场和超高压等极端条件。

位于北京郊外的综合极端条件实验装置，可对样品进行一系列物理测试。图片来源：中国科学院物理研究所

北京郊区有几幢不起眼的建筑，上面标着字母“X”，代表“extreme”（极端）。这里就是综合极端条件实验装置（SECUF）。世界各地的研究人员将实验材料置于极端磁场、压力和温度环境之中，采用全新技术，获取高时间分辨率的观测数据。

综合极端条件实验装置耗资高达2.2亿美元。找到电阻为零的全新超导体，是这里很多研究人员梦寐以求的目标之一。中国科学院物理研究所凝聚态物理学家、综合极端条件实验装置首席科学家吕力说：“不同极端条件的组合，有利于研究人员获取新发现。”

各国科研机构正竞相开发能够在室温而非低温环境下表现出超导特性的材料，而深入了解超导机制对此至关重要。室温超导材料具有极大优势，例如提高计算机运算速度、减少电力消耗等。

在极端环境中，各种材料会表现出正常条件下不曾展现的特性。例如，一些看似普通的材料，在高压、低温条件下会成为超导体。英国爱丁堡大学从事极端条件工程和仪器研究的物理学家Konstantin Kamenev说，测量超导特性并非易事，这种特性的出现还与测量技术有关。综合极端条件实验装置可同时提供各种极端条件，使研究人员可更全面、更高效地测定样品特性。物理研究所凝聚态物理学家程金光说：“它就像一站式的商店。”

极限条件工具箱

去年9月，经过一年试运行后，综合极端条件实验装置22个实验站已投入全面运行。在明亮房间的一角是程金光负责的实验站。实验站结合了基于立方六面砧压腔（在六面施加巨大压力挤压材料的装置）和两套超导磁体和氦基低温恒温器。该实验站可用于测量材料一系列电子特性。程金光介绍，传统的金刚石压砧等高压装置能容纳与头发丝宽度相当的样品，但综合极端条件实验装置的六面砧能够用于压缩更大的样品，更易实现对电子特性的精细观测。

程金光说，他和同事利用该装置已发现数种超导体，包括一种罕见的磁性超导体[1]和一种锰基超导体[2]。

量子振荡实验站由两套超导磁体系统构成，可同时提供超低温环境。图片来源：中国科学院物理研究所

房间另一侧的黄色警示牌后，放置着一套强大的超导磁体系统。这是物理研究所凝聚态物理学家周睿及其同事打造的实验站，用于极低温强磁场核磁共振研究。该实验站可追踪测量原子核在强磁场中的运动，有助于揭示临界超导温度高于-195.8 °C的高温超导体的超导机制。

综合极端条件实验装置可产生的磁场最高为26T，相较于其它实验装置并不算突出，例如美国国家强磁场实验室由超导磁体和有阻磁体组合而成的混合磁体，可产生高达45T的磁场，保持了世界纪录；法国国家强磁场实验室的有阻磁体，磁场强度可达37T，这些磁场耗能较高。周睿介绍，综合极端条件实验装置能耗远小于其它实验装置，因此其稳态磁场维持时间不是几个小时或几天，而是长达一个月，这样研究人员就可以对样品开展更长时间的实验。

六面砧压腔靠墙放置，表面粘贴黑黄相间的警示标识。相较于其它高压装置，它拥有更大的样品容纳空间。图片来源：中国科学院物理研究所

这里还有磁体系统可用于开展其它超导研究。物理研究所的凝聚态物理学家李刚负责的实验站，结合极低温与30T、20T超导磁体，测量量子振荡——一种可用于绘制材料电子“指纹”的物理现象。去年7月，英国剑桥大学的凝聚态物理学家Alexander Eaton和同事花了两周时间，利用这个实验站揭示了罕见超导体二碲化铀[3]的电子特性。Eaton说：“我们只有在这里才能完成想做的实验。”

多样组合

超导研究人员在综合极端条件实验装置可采用多种技术手段。浙江大学凝聚态物理学家曹光旱和同事使用六面砧压腔和核磁共振测量技术，研究此前意外发现的一种有趣的铬基材料。曹光旱和同事将这种材料置于六面砧压腔中，发现材料可在高压环境中表现出超导迹象[4]。他们还利用核磁共振实验站观测这种化合物的磁特性。在同一地点联用多种技术手段对样品开展实验，可帮助研究人员拓展深度、提高效率。曹光旱说：“这对我们太便利了。”

在综合极端条件实验装置，超导现象并不是研究人员的唯一目标。一些研究人员使用超快光场探索半导体的特性，还有研究人员用一系列仪器来追踪物质难以捉摸的量子态。程金光表示，实验装置向国内外用户开放，所有申请都会得到平等对待。他补充说，今年的审批程序将更加严格，以便给予研究者更充裕的时间，在各实验站开展工作。

尽管世界各地的研究人员都可使用该装置，但美国国家强磁场实验室凝聚态物理学家Ali Bangura认为，这一装置使中国在室温超导研究领域更具优势。他说在同一实验室提供更多技术手段开展观测，“大大增加了SECUF获得重大突破的可能性。”

参考文献：

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’标题发表在2024年4月29日《自然》的新闻版块上

© nature

Doi: 10.1038/d41586-024-01192-4