“超级相机”，为微观世界拍高清“纪录片”

本报记者 程远州

不久前，在位于广东东莞的中国散裂中子源，我国首台高能直接几何非弹性中子散射飞行时间谱仪正式完成验收并交付使用。这台由中山大学和散裂中子源科学中心联合研制建设的大型科研仪器，用于观测物质微观世界的结构与动力学性质，填补了我国百毫电子伏以上非弹性中子散射的空白。

“如果把常规的科学仪器比作人眼，那么这台谱仪就是一台‘超级相机’，能够精准捕捉物质内部原子、分子在皮秒(万亿分之一秒)时间尺度下的动态，记录下原子和分子振动、旋转、传递能量的微观过程。”建设团队成员、中山大学物理学院副教授刘新智说，“就像是为物质微观世界拍高清‘纪录片’。”

“超级相机”如何让微观世界纤毫毕现？刘新智介绍，这台“超级相机”的工作原理是通过测量物质的自旋波和声子谱等动力学性质，研究构成物质的原子之间微观相互作用。因此，科学家并非使用仪器直接观测成像，而是利用中子不带电、穿透力强的特性，探测物质内部的微观运动——当中子与物质中的原子核或电子发生“非弹性碰撞”时，中子会改变速度与方向，通过这些变化可以反推出物质内部的动态信息。

中山大学物理学院副院长王猛介绍，这台谱仪可以获取散射后中子的空间分布信息和能量变化，在动量与能量空间测量物质微观结构的动力学行为，确定材料内部磁性原子关联强度，为物理、化学、生物、材料等学科的前沿基础研究提供支撑平台。

“借助它独特的洞察力，科学家将进一步看清前所未见的微观世界。”王猛介绍，在高温超导研究领域，这台谱仪能够精确测量超导体中的自旋涨落，测量超导材料的声子谱态密度，为揭示高温超导机理提供关键实验证据；在能源材料领域，这台谱仪可以测量热电材料声子谱的空间分布，为设计更高性能的热电材料提供指导；在生物医药领域，通过中子散射技术，科学家能够在更接近生理环境的条件下研究生物分子的运动，为新药研发开辟新途径。

这台大国重器的建造过程殊为不易。中山大学副校长郑跃介绍，2017年，中山大学与中国科学院高能物理研究所签署战略合作协议，经过两年的论证和预研，确定建设中国首台高能非弹性中子散射谱仪，并于2019年启动建设；多个专业技术组通力协作，自研攻克中子斩波器、超大型真空散射腔等关键部件；2023年1月，成功在谱仪上输出中子，随后谱仪进入带束调试阶段，并在当年测得标准样品钒的声子谱，采集首个非弹性散射信号。

王猛介绍，经过两年多的调试，这台“超级相机”的各项指标均已达到国际领先水平。利用费米斩波器和带宽斩波器协同工作，可实现多波长模式和单波长模式的快速切换；谱仪提供的高低温环境和磁场环境可以覆盖绝大多数的非弹性中子散射实验场景。

这台“超级相机”将面向国内外研究人员开放使用，服务国家战略需求，培养一流专业人才。目前建设团队已启动了谱仪样品多场耦合加载分析模块的研制，该项目已获得国家重大科研仪器研制专项的支持。

《 人民日报 》( 2025年12月06日 06 版)