中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)自主研制的水冷磁體產(chǎn)生了42.02萬(wàn)高斯（即42.02特斯拉）的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。
中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心供圖
近日，在中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)自主研制的水冷磁體產(chǎn)生了42.02萬(wàn)高斯（即42.02特斯拉）的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，刷新了水冷磁體的世界紀(jì)錄。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)是開(kāi)展物質(zhì)科學(xué)前沿研究所需的一種極端條件，也是推動(dòng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的利器。這一磁體的成功研制，為科學(xué)家探索新現(xiàn)象、揭示新規(guī)律提供了更好的實(shí)驗(yàn)條件，也為我國(guó)建設(shè)更高場(chǎng)強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)磁體打下關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置取得重大技術(shù)突破，是科學(xué)研究“向極端條件邁進(jìn)”的重要體現(xiàn)。近年來(lái)，隨著理論模型、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們將實(shí)驗(yàn)條件推向前所未有的極限狀態(tài)，在超高溫、超低溫、超高壓、超強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件下，大量科學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律得以揭示，極大拓展了人類的認(rèn)知邊界，推動(dòng)著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。
在極端條件下，可揭示自然界的基本規(guī)律、物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)以及生命的極限適應(yīng)能力
什么是極端條件？科學(xué)家能創(chuàng)造哪些極端條件？這些極端條件有哪些作用？
極端條件，是指實(shí)驗(yàn)室中人為創(chuàng)造出來(lái)的、達(dá)到或接近目前技術(shù)極限的單項(xiàng)或綜合物理?xiàng)l件，它們的影響各不相同又相互關(guān)聯(lián)。科學(xué)研究向極端條件邁進(jìn)，可以對(duì)自然界在極端狀態(tài)下開(kāi)展深入探索。在極端條件下，科學(xué)家們可以揭示自然界的基本規(guī)律、物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)以及生命的極限適應(yīng)能力，從而推動(dòng)物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科的發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。
“在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域，我們可以把物質(zhì)的狀態(tài)理解為溫度、磁場(chǎng)、壓力等這些基本物理參量的一個(gè)‘函數(shù)’，例如水會(huì)隨著溫度的變化成為氣態(tài)或固態(tài)，石墨在高溫高壓下會(huì)變成金剛石，很多礦產(chǎn)也是在地球內(nèi)部高溫高壓的環(huán)境下形成的。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所副所長(zhǎng)程金光介紹。
“在一些極端條件下，很多物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)常規(guī)環(huán)境中難以出現(xiàn)的狀態(tài)。”程金光說(shuō)，“當(dāng)我們拓展這些極端條件，就會(huì)觀察到很多新的物質(zhì)狀態(tài)、新的物理現(xiàn)象。通過(guò)極端條件下的物態(tài)調(diào)控，極大拓展了人類認(rèn)知的邊界。”
早在100多年前，荷蘭科學(xué)家通過(guò)將氦氣液化、將水銀冷卻到零下268.98攝氏度時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電阻突然消失，即超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)態(tài)的發(fā)現(xiàn)，改變了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知，推動(dòng)了能源、交通、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。
近年來(lái)，極端條件下的科學(xué)研究取得了豐碩成果。比如，在高溫高壓條件下，科學(xué)家們成功合成了新型超導(dǎo)材料，為電力傳輸和電子設(shè)備研制提供了新的可能；在超低溫條件下，量子糾纏等奇特現(xiàn)象被觀測(cè)到，為量子計(jì)算和量子保密通信等前沿技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；全球科學(xué)家在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)條件下的科學(xué)研究取得了許多重大成果，這些成果在物理、化學(xué)、材料、生命健康以及工程技術(shù)等方面得到綜合應(yīng)用……
在程金光所從事的材料科學(xué)領(lǐng)域，探索具有奇異物理性質(zhì)的新材料體系是推動(dòng)凝聚態(tài)物理發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。
“高壓技術(shù)在現(xiàn)代凝聚態(tài)物理的研究中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。”程金光介紹，作為與溫度同等重要的熱力學(xué)參量，高壓可以在很大程度上決定許多固態(tài)反應(yīng)的方向和速率。在高溫高壓條件下，能夠合成出許多常壓條件下不存在的新型材料。通過(guò)施加高壓，還可以改變決定材料物性非常關(guān)鍵的參數(shù)——原子間距離，從而可以精確地調(diào)控物性；將超高靜水壓和極低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件結(jié)合在一起，可以探索材料在這些極端條件下的響應(yīng)，揭示許多奇特并具有潛在應(yīng)用價(jià)值的物理現(xiàn)象。
極端條件的實(shí)現(xiàn)，往往需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)
前不久，位于北京懷柔科學(xué)城的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)放了今年的第二輪普通課題征集。
綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置是北京懷柔科學(xué)城第一個(gè)開(kāi)工的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是國(guó)際領(lǐng)先的集多種極端條件為一體的實(shí)驗(yàn)裝置。它由中國(guó)科學(xué)院物理研究所承建、吉林大學(xué)共建，于2017年9月正式啟動(dòng)建設(shè)。這里有比地球磁場(chǎng)高出60萬(wàn)倍的強(qiáng)磁場(chǎng)，有接近地心壓強(qiáng)的超高壓，有接近絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度）的極低溫，還有把時(shí)間“切割”到只有1秒的一億億分之一的超快光場(chǎng)……
近年來(lái)，借助極端條件取得創(chuàng)新突破，已成為科學(xué)研究的一種重要范式。程金光認(rèn)為：“隨著科學(xué)的發(fā)展，物態(tài)調(diào)控的手段變得更加精密、復(fù)雜，很多重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)有賴于極端條件的突破。”
“在大科學(xué)時(shí)代，通過(guò)建設(shè)先進(jìn)的極端條件實(shí)驗(yàn)設(shè)施，創(chuàng)造極端溫度、極端壓力、超強(qiáng)磁場(chǎng)等極端狀態(tài)，有助于發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)、揭示新規(guī)律、開(kāi)辟新應(yīng)用。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院科技與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究所所長(zhǎng)陳志認(rèn)為。
近年來(lái)，我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快推進(jìn)，大科學(xué)裝置日趨完備，為開(kāi)展極端條件下的科學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的保障。在華南理工大學(xué)教授殷盼超看來(lái)，建立并發(fā)展集成多種極端條件的實(shí)驗(yàn)裝置，將為提升我國(guó)科學(xué)研究水平、實(shí)現(xiàn)重大原創(chuàng)突破提供重要支撐平臺(tái)。
極端條件下的科學(xué)研究往往涉及多學(xué)科交叉，需要不同領(lǐng)域的科學(xué)家緊密合作。中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)副校長(zhǎng)馬余剛認(rèn)為，開(kāi)展極端條件下的科學(xué)研究，要重視合作，通過(guò)建立一些多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室和研究團(tuán)隊(duì)，積極推進(jìn)學(xué)科交叉融合。
“不僅要達(dá)到單項(xiàng)的極端條件，還要將不同的極端條件綜合起來(lái)。”程金光舉例，綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置有多達(dá)20個(gè)實(shí)驗(yàn)站，其中絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)站都將2至3個(gè)極端條件結(jié)合到一起。利用這些綜合極端條件，可以開(kāi)展材料合成、物性表征、量子調(diào)控、超快過(guò)程等領(lǐng)域的前沿研究。
極端條件的實(shí)現(xiàn)，往往需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。馬余剛表示，物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，涉及極端條件的儀器和裝置很多都是精密儀器、高精度特殊設(shè)備。因此，要高度重視科研儀器設(shè)備方面的自主創(chuàng)新。
“此外，極端條件下的科學(xué)研究需要既懂實(shí)驗(yàn)、又懂理論的復(fù)合型人才，對(duì)人才培養(yǎng)也要充分重視。在建立并發(fā)展集成多種極端條件的實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)，還要依托這些科研平臺(tái)積極培養(yǎng)人才。”馬余剛說(shuō)。
近年來(lái)，科研范式發(fā)生深刻變革。在馬余剛看來(lái)，大規(guī)模算力、機(jī)器學(xué)習(xí)等新的研究手段、研究方式，對(duì)極端條件下的科學(xué)研究產(chǎn)生了重要影響。“通過(guò)人工智能輔助計(jì)算等手段，已經(jīng)可以很好地模擬一些極端條件，我們要通過(guò)這些科研新范式，把極端條件下的科學(xué)研究繼續(xù)引向深入。”
極端條件為技術(shù)創(chuàng)新提供支撐，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展
極端條件不僅在科學(xué)研究方面作用巨大，還能為技術(shù)創(chuàng)新提供支撐。“近年來(lái)，很多能源、材料領(lǐng)域的突破，都是隨著極端條件的拓展取得的。此外，深空、深海、深地等戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域，也是極端條件出現(xiàn)較多、應(yīng)用較廣的領(lǐng)域。”馬余剛介紹，“比如，深海環(huán)境里也可以做中微子研究，深地條件下可以開(kāi)展生命科學(xué)方面的探索。總之，極端條件為很多領(lǐng)域打開(kāi)了新天地。”
極端條件下的科學(xué)研究，也積極服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。比如，目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)解析和非侵入性成像——核磁共振技術(shù)，就是強(qiáng)磁場(chǎng)條件催生的應(yīng)用技術(shù)。再比如，我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置投入全面運(yùn)行后，研發(fā)裝置衍生的成果和依托裝置研究產(chǎn)生的多項(xiàng)成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國(guó)家Ⅰ類抗癌創(chuàng)新靶向藥物等，已順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。
在浙江杭州，依托即將開(kāi)工建設(shè)的極弱磁大科學(xué)裝置，中國(guó)科學(xué)院院士、北京航空航天大學(xué)教授房建成帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建造了零磁空間縮比樣機(jī)，著力攻克磁屏蔽等關(guān)鍵技術(shù)，并推動(dòng)相關(guān)成果轉(zhuǎn)化。
房建成介紹，相比強(qiáng)磁場(chǎng)方面的成果，科學(xué)界對(duì)弱磁條件仍知之甚少。近年來(lái)，他和團(tuán)隊(duì)在零磁與近零磁極端條件下，開(kāi)展零磁醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、基礎(chǔ)物理和材料學(xué)等方面的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生了一批原創(chuàng)性成果，也實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的落地轉(zhuǎn)化。
專家表示，極端條件科學(xué)研究前景無(wú)比廣闊。展望未來(lái)，科學(xué)研究向極端條件邁進(jìn)將繼續(xù)推動(dòng)多個(gè)學(xué)科的發(fā)展，科學(xué)家將能夠更深入地探索極端條件下的物質(zhì)狀態(tài)、生命行為和宇宙演化等科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，極端條件科學(xué)研究也將為新材料、新能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新提供重要支撐。
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2024年10月14日 19 版）