呂力， 綜合極端條件實驗室裝置
建設“綜合極端條件實驗裝置”這一想法，是物理所在2001年成立了極端條件實驗室之後逐漸形成的。物理所為了推動在北京懷柔建設這一大科學裝置，於2004年成立了籌備小組。金鐸老師在這個戰略佈局中起了很大的作用。今天幾位老師都在座，我彙報中有不清楚不恰當的地方，可請教金老師等前輩。
大家都知道我們的宇宙，它是來自於一次大爆炸，從高熱、高壓、高溫的狀態膨脹了以後，慢慢冷卻，冷卻到一定的程度，我們就有了一些星系，有恆星，有地球這樣的行星。在壓力、溫度非常溫和的環境裡面，就產生了生物，像我們這樣的人類。人類作為宇宙的一部分，現在想要知道，我們從什麼地方來？將來往哪個地方發展？也思考這些大的問題。
在這個過程當中，工具的應用，一直是起著至關重要的作用。望遠鏡的發現，導致了天文觀測等等方面的進展，導致了牛頓力學的建立。顯微鏡的發明，使得我們看到了細菌，對生物學發展起到了非常重要的貢獻。歐洲的強子對撞機，這是目前地球上最大的科學儀器，前段時間發現了希格斯粒子，我們認識自然、改造自然，這個過程當中，工具起著至關重要的作用。
我們在地球上的生活環境是一個相對溫和的環境。但這只是一個特例。在宇宙中，高溫、高壓、強磁場等極端條件比比皆是。我們要在實驗室裡建的這個極端條件，極低溫度要比宇宙的背景輻射2.7K低一千倍（2.7mK），強磁場比地球的磁場高50萬倍（約30T），壓力要達到地心的壓力（約380GP），超快的光場要達到電子振動的時間單位（阿秒=10-18秒）。
圖1綜合極端條件
科學研究像探險一樣，你站的更高就能看的更遠，你挖地越深就能發現更多的寶藏。我們目前的研究條件叫常規條件，通常比較容易達到。我們希望拓展研究空間到更廣的範圍，可以研究更多的現象，這就是我們的綜合極端條件裝置研究想要達到的目的。
圖2極端條件調控範圍
綜合極端條件可以大大拓展物質科學的研究空間，為解決當前科學技術中的疑難問題，為發現新物態、探索新現象、開闢新領域，創造前所未有的機遇。過去很多年，利用不斷拓展的條件，人們發現了很多非常重要的現象。如1985、1996、1997、1998、1999、2001、2003、2005年等多次諾貝爾物理獎的獲得者，都是藉助極端條件取得創新和突破。現在綜合極端條件的運用已經變成了科學研究取得突破的重要範式。
以極低溫為例，3He超流的發現獲1996年物理諾貝爾獎，3He有很多個相，有的相還是超導的。3He的物態是多個極端條件的函數，與溫度、壓強和磁場相關。整數量子霍爾效應的發現獲1985年諾貝爾物理獎，當時實驗條件是1K溫度和8T磁場，不是很極端，但那個年代也是很不容易。
我們這個裝置，2004年物理所成立懷柔基地籌備小組，2007年科學院承擔了一個財政部的項目，叫“綜合極端條件系統”，實際上這些是我們懷柔這個大項目的前期研究。2007年到2016年期間，經歷了很長時間，非常的不容易，丁洪從美國回來後，有一段時間一直牽頭做這件事情。到2016年國家發改委正式批覆項目建議書。2017年批覆了可行性報告、初步設計及概算，去年的9月28號“綜合極端條件實驗裝置”項目正式啟動。現在一年過去了，目前仍處於基建階段，在建的實驗樓基本封頂了。
在申請的過程當中，跟教育部、吉林大學聯合，一起作為共建單位。我們在北京還有合作單位，超導磁體和電工所合作，還有個別項目是和北大與清華合作。
下圖是我們在建綜合極端條件實驗系統的建築設計圖。
圖3建綜合極端條件實驗系統的建築設計圖
主要包括極端條件物性表徵系統、高溫高壓大梯級材料研究系統、極端條件量子態調控系統、超快條件物質研究系統、公共輔助設施系統，還有土建工程。北京的建築面積是48000平方米，發改委批覆總投資近16個億，北京近14個億，建設週期是5年。大概分兩步走，第一步是跟北京同步輻射光源沒直接關係的獨立裝置，主要包括低溫、高壓、磁場、激光，在系統裡把激光一起綜合進來，有一定的特色，稱為一期。第二步把建立的獨立裝置和北京的同步輻射光源結合起來，稱為二期。
全部裝置分成三大塊。第一塊是極端條件下的材料表徵系統，北京部分主要利用低溫、強磁場。高壓綜合極端條件研究材料的物性。長春部分在吉林大學，主要側重高溫高壓大體積材料的研究。第二塊是極端條件下的量子態調控系統，主要是在非常低的溫度下對量子態進行調控。第三塊是研究超快過程。我們將圍繞綜合極端條件，建立一系列研究測量的配套設施，如磁性測量、熱學測量、輸運測量、結構分析、磁性測量、力學性質測量、超快譜學成像等等。一共分成4個系統，17個子系統。還有輔助設施、低溫工廠、加工平臺等。
圖4“綜合極端條件實驗裝置”構成圖
“綜合極端條件實驗裝置”的主要指標包括：最低溫：1mK，最高壓：300GPa，最高磁場：26T；時間分辨：亞飛秒。最高磁場的指標是26T，但我們希望做到30T。
我們希望“綜合極端條件實驗裝置”建成後，第一能夠實現極低溫、強磁場和超高壓條件下的多種先進物性和材料的表徵測量，為解決物質研究中的關鍵科學問題提供有力的實驗支撐。第二，能夠在極低溫強磁場等綜合極端條件下對量子過程進行調控研究，在超導量子計算、拓撲量子計算、納米電子學等研究方向上突破經典調控的極限，建立新的量子調控技術，研製出新的量子器件。第三，能夠集成多種超快輻射源，對原子、分子、固體以及表面中的微觀超快動力學行為進行科學研究。
圖5極端條件下的材料表徵系統
圖6極端條件下的量子態調控系統
圖7超快條件物質研究系統
圖8超快電鏡和超快電子衍射
“綜合極端條件實驗裝置”建設項目去年9月份開始動工，希望到明年的這個時候樓都蓋好。現在已經開始訂各種各樣的儀器設備，到明年這個時候可以到貨了，我們開始安裝調試。到2022年，整個這個項目要驗收。組織管理方面我就不仔細說了。謝謝大家。
金鐸：綜合極端條件實驗室的立項和規劃
物理所建設的這個設施叫做綜合極端條件設施，我想講一講工程設計的主要情況。所有的技術背景、學術背景、科學背景，以及要建設什麼內容，是呂力負責，而且呂力是整個工程的首席負責人，所以他講是最合適的。醞釀了好長時間，好多年，現在好不容易開工了，進行開工初期的工作非常忙，他能來也非常不容易。
我是從醞釀這個項目開始，到形成項目內容，是跟呂力他們一起來完成討論，也跟院裡和發改委一起，參加這個項目。所以我就想講講這個項目醞釀的過程，形成的由來。主要的意思，想介紹一下像我們物理所這樣一個研究所，歷來是從事中小規模研究課題的研究，最後出現了要建設一個大科學裝置。
在座的有搞激光、光學的，還有高壓的，我是搞低溫的，我們也有同事搞磁學、強磁場。物理所對極端條件的研究，極低溫、強磁場、高壓和超強激光的裝置非常熟悉，我們原來的這些不屬於大科學裝置，現在的叫法是“重大科學基礎設施”，而傳統上的是比較中小型的。
我從院裡崗位上退下來以後，十多年來一直幫助發改委做大科學裝置的規劃工作，佈局和項目遴選。也看了一些資料，發現在很早以前，人們把極低溫的工作認為是大科學，但後來時間不長很快就把工作排除到大科學之外了，因為它的科學形態和大科學不一樣。
無論從裝置的規模、研究隊伍，它就是小團隊研究，是領頭科學家小團隊的研究。小組在這兒研究一個小課題，或者幾個組聯合起來，研究一個課題，但並不太大，而且研究也沒有特別的要相互配合的計劃，服務對象就是自己，自己給自己做裝置，自己來進行研究。物理所這幾個裝置做了跟多了，從國家支持來說，就是支持一般的研究經費，很多經費都需要團組自己去爭取。但是後來漸漸的，這方面的研究工作有了轉變，就向大科學設施轉變。
我要介紹一下大科學設施的特點，大家一般就覺得這個設施規模大、尺度非常大，包括了非常大的裝置，包括我們知道的天文望遠鏡、加速器等。規模大不是主要的，它為什麼有這麼大規模呢？有的甚至形成系統，就是它非常完整的，為一些大科學研究計劃所必須的一些設施，同時又是許多單位、許多隊伍聯合起來進行研究，所以研究隊伍非常大，這樣一來，設施就規模大，技術也就非常複雜。這樣的設施，往往是由國家專門投資來建設，做一個國家擁有的一個研究設施。這就決定了它的性質，這個設施是國家所有，全社會所擁有，而不是一個單位或一個部門，不是科學院所有，也不是物理所所有，更不是研究室的。一般的那些儀器，它的擁有權是下面的單位，國家隊伍來插手的這個重大科技基礎設施，大科學裝置，這是國家所有，國家委託某個單位、某個部門來管理，國家包著這個設施的所有的經費。我們已經開始鼓勵企業、產業投入來支持，但是從原來的建設經費，完全是國家出，運行經費，國家完全包了，還有所有的研究經費，也是從國家申請，國家委託。那麼在我們國家現在形成了建設經費由發改委出，運行經費由財政部專門支持，發改委建了一臺裝置，財政部負責每年撥運行經費，運行經費也是非常巨大，財政部撥的比例就是建設經費的十分之一，撥給每年的運行經費，運行十年就把建設經費超過了，所以財政部的撥款遠遠大於建設經費的。當然還有科技部、基金委等單位，要負責支持研究經費。也正是因為這樣，這個設施必須是開放共享，向全社會開放，包括國內的，甚至是國際的。當然學術界之外的，他想研究，也可以申請來用，用於科學研究的目的也是完全免費的，不需要付經費，只需要自己帶著儀器來接入測量，只負責自己那部分就可以了。在重大基礎設施運行上面，我說的不完整，但主要的特點都表現在這裡，跟中小型儀器那是完全不一樣，中小型儀器是屬於小組的、研究室的，或者公共實驗室等研究機構，但重大科學基礎設施完全是國家的。
極端條件設施裡，強磁場首先納入到重大科學基礎設施裡面，國際上也是如此。首先它建得很大，技術非常複雜，而且必須要建強磁場，你就不能說只建一個，而是20天、30天、40天，就一系列的建起來。所有這些有公共的供電系統，公共的冷卻系統，一個一個單獨弄，每一個用電都很大，如果分佈得很廣的話，民間也不允許。比如說我們建國家強磁場實驗室的時候，到好幾個城市去調研能否建在他那兒？一說用電當地就反對，因為好幾十兆的功率，對民用電很大幹擾。合肥有留出的地方，當時無論上海、北京都不接受，因為支撐條件要求太大了，它的冷卻等需大量的用水，都是很大的負擔，所以要建大型的運行系統，需要一支大型的隊伍，包括服務的工程技術型人員。最重的是在這樣的系統上，可承載國家級的，甚至是國際合作的非常巨大的研究項目，這是單個小設施，單個小儀器沒法承擔的工作。正因為如此，服務對象和用戶非常多，遍及整個科學界，甚至國際上的用戶也非常多，就像我們合肥的裝置，它每年很多人到這兒進行研究，因為這是世界上唯一的一臺全超導的裝置，所以也就滿足大家將來在上面要做相當多的原理性的工作，這就成為國際合作非常熱的平臺。
超強激光系統也納入了大科學設施系統。極低溫、高壓等，都非常熟悉，原來都算是大型的儀器，但還算中型以下的，綜合起來以後發展成為重大的基礎設施，首先是由它的研究性質來決定。在極端條件的設施方面，出現了個新的重要的方向，是跟光源和中子源結合，形成診斷儀器中間的一部分。像美國、歐洲，都把極端條件的設施建在跟光源同步，跟中子源一道，未來光源和中子源都是具有極端條件的設施，自然就成為大科學設施的一個部分。
我們自在研究的時候發現，不僅僅需要單個的極端條件，而且需要不同極端條件的組合。這個組合往往帶來很大的新問題，就是在組合的極端條件下，不一定能夠運轉得很好。低溫和強磁場是矛盾的、是排斥的，我們怎麼組合好，取得最佳的性能。單個極端條件不具備的科學問題，技術問題，使得這方面的研究成為具有專門性的研究，需要有專門的科學知識，和專門的技術知識，技術條件。所以就形成了追求性能最佳的綜合極端條件設施這樣一個新的需求，成為了新的方向。最終發展使得綜合極端條件，成為一個規模相當大、技術非常複雜，遠遠超過以前的單臺設備，這樣的一個大科學設施。
我們所建立世界上第一臺綜合極端條件大科學設施，提出來之前，好像還沒有其它國家提出來。我們提出來以後，在國際交流中間，發現其它國家非常認可，也都覺得他們原來為什麼沒有想到，他們可能也要建設這方面的設施。
我的介紹就是這些內容，我覺得今後發展的方向有兩方面，一個是剛才說的，我們要繼續參加北京光源的建設，把技術條件和北京光源結合在一起，成為能力更強的大科學設施。綜合極端條件本身，還有繼續提升的能力，要擴展綜合極端條件設施的能力和性能。象超強超快激光，無論是高壓還是極低溫，都有很大提升的空間，所以這兩方面的工作，希望能夠做好準備，並且適時給出這兩方面升級的工作。我最後有一點體會，就是無論是大科學還是小科學研究，當然沒有專用名詞叫“小科學研究”了，但比起大科學研究來說，這兩方面都是重要的，沒有哪一方面是可以替代的，都是為探索科技前沿，具有不可替代的地位和作用，都不可偏廢。但我們也應該看到，隨著科學發展，有些原來小規模的研究工作，逐漸的向大規模研究發展，從而出現了更多要依託大科學設施來進行研究，甚至依託設施群來研究的一些工作，也就是發展成為，或者一部分的發展成為大科學的研究。對於科研機構來說，必須敏銳的覺察到這種變化和需求，及時的提出新的發展和建設的措施，這樣一些措施提得及時，可能會推進後續多年的發展，如果失去機會，也可能會被別人搶佔了高地，可能非常遺憾。我自己的體會，物理所抓住了這個機會，現在聯合高校一起，建設北京綜合性的國家科學中心，全國現在只建三個綜合科學中心，一個在北京建的懷柔。第二個是在上海建，已經開建了，而且可能走得比北京還要快得多。第三個就是在合肥。這樣三個綜合性的國家科學中心開建以後，全國各地紛紛都來爭取，覺察到這種需求，及時的提出建設的方案，這是非常關鍵的，有很大的作用。
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