探秘新奇物态的游乐场——综合极端条件实验装置

 罗会仟

2024年4月29日，《自然》关注报道了位于北京怀柔的综合极端条件实验装置(SECUF)。该装置是集强磁场、极低温、超高压、超快条件等多种极端条件为一体，是一项服务于全球科学家的大型用户实验研究装置，，旨在诸如“室温超导”等方面的前沿科学取得基础性突破。

究竟什么是极端条件呢？物质在这些条件下会发生什么样的状态变化呢？综合极端条件实验装置在未来将给我们带来哪些惊喜？今天我们一起聊聊这个新奇物态的“游乐场”——综合极端条件实验装置！

说到游乐场，大家可能第一印象就是诸如迪斯尼、环球影城、欢乐谷那样的地方，充满速度和激情的挑战，以及力声光电的刺激，在游乐场里冒险，会得到许多日常生活不同的体验。事实上，科学们在研究物质世界时，也同样采用了类似的方式——通过改变物质所处的环境，来“刺激”它内部的变化，从而探索物质的状态及其背后的机理。这种环境刺激越强，物质的反应就越剧烈，甚至演变成和平常条件下完全不一样的形态，我们称之为“物态调控”。

物质的外部环境可以通过力、热、声、光、电、磁等方式来改变。例如给物质施加压力，最明显的变化就是改变了它的外形和体积；改变物体的温度，它可能会出现从固态、液态到气态的演变；用一束光去照射物体，可能激发表面的电子，或者提高内部原子的能级；把物体放入电场或磁场中，将影响其内部导电或磁性粒子的运动方式。物理学家正是通过这些方式去调控物质的各种性质，一方面试图理解这些状态变化的微观起源，另一方面期待发现新的物理现象并发掘其应用价值。

所谓“极端条件”就是指的强磁场、极低温、超高压、超快条件等外部环境。

那么为什么非要把物体放到“极端条件”下呢？这是因为物质往往在极端条件下会呈现一些“反常”的性质。比如超导就是导电材料在极端低温下电阻彻底消失为零；超流则是液体分子在极低温下粘滞力彻底为零；而对于一群稀薄的“电子气体”而言，在极低温和强磁场的双重作用下，会“精神分裂”成分数电荷的形式，这就是分数量子霍尔效应；在极端高压条件下，常见的材料结构会发生巨大的变化，构造出意料之外的新物质结构；在超快条件下，可以给物质内部原子甚至电子的运动拍动态电影，实时观测它们的各种微观行为。

综合极端条件实验装置包含位于北京怀柔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和位于吉林长春的高温高压大体积材料研究系统。其目标是实现单项极端条件：1 mK以下的极低温，300 GPa（万大气压）以上的超高压、26 T以上的强磁场和 100 as以下的超快光场；以及实现综合极端条件：10000 T/K（磁场/温度）、2800 T·GPa/K（磁场·压力/温度）和60000 GPa·K（压力·温度）。该装置可以提供多种综合极端条件开展材料制备、物性表征、量子调控和超快动力学研究的研究手段，实现物态调控的“一站式”服务。

基于综合极端条件实验装置，我们有望发现更多高压下的超导材料甚至是室温超导材料，寻找到极低温下的新量子态如超固态等，发现强磁场下的新物理过程，探测阿秒时间尺度下的电子运动轨迹等等。

   随着综合极端条件实验装置用户量的增加，我们期待更多的发现出现在这个新奇物态的游乐场，未来一定会越来越热闹！

【作者注】本文刊载于科普中国，此为文章原稿。