吕力（前排左一）和学生们 ?
程金光（左三）团队。受访者供图 ?
综合极端条件实验装置园区X1楼。李子锋/摄 ?
3月的北京，山里的桃花开了。物理学家吕力骑着自行车穿行在平坦的柏油路上。他的工作地点在北京怀柔科学城——一个布局了37个科技设施平台项目的地方。最早扎根于此的是综合极端条件实验装置（以下简称“极端”装置），吕力是这个装置的首席科学家。
就在不久前，“极端”装置通过了国家验收，吕力感到一种久违的轻松。他向北骑行，不到半个小时，就享受到了花、树、山、水里的田园气息。在物理学家眼里，这些都是宇宙大爆炸后留下的产物。
工作时，吕力会待在怀柔科学城一栋栋标有“X”记号的大楼里。“X”是英文“极端”（Extreme）的缩写。为了理解物质、调控物质，吕力和一群有拿手绝活儿的物理学家，一起创造出比宇宙大爆炸时更极端的条件，然后用这样的极端条件“逼”出物质的超自然特性。
九宫格里的X楼
吕力的工作地，正是“极端”装置所在地，这里也是中国科学院物理研究所（以下简称物理所）的怀柔园区。园区占地130亩，看上去像是一个大型九宫格。九宫格里有9栋X楼，从“X1”到“X9”，实验条件最极端的平台集中于其中的5栋——X2、X3、X6、X7、X8。
X2楼位于园区西南角，被称为“量子调控平台”，这里有4个具备低温、强磁场条件的实验站，最低温度逼近宇宙中温度的下限——“绝对零度”（-273.15摄氏度），达到-273.1495摄氏度，用于调控量子态。
X3楼位于园区西侧中间位置，它和位于园区正中央的X6楼一起，被称为“物性表征平台”，这里聚齐了低温、高压、强磁场3种极端条件。其中，超高压可高至接近地核压强，强磁场可强于地球磁场的60万倍。在这两栋楼里，共安置了9个不同的实验站，用于激发和研究物质属性。
X7楼位于园区东北角，和东侧中间位置的X8楼一起，被称为“超快动力学表征平台”，这里具备超快光场和低温条件，有5个实验站。里面的激光装置一眨眼就能按下上百万亿次“快门”，可以拍下原子尺度的晶格运动图像，甚至可以看清电子的运动。
除了这5栋楼之外，位于西北角的X4楼和X5楼是支撑实验站运行的液氦车间和机械加工车间，南侧中间的X1楼是吕力等人办公和开会的地方，东南角的X9楼是科研人员吃饭和住宿的地方。
与此同时，在北京东北方向1000公里外的吉林大学，还有一个具备高温、高压条件的“大体积材料研究平台”。它与北京怀柔的这三大平台一起，构成了“极端”装置的主体设施。
2月26日，九宫格园区迎来了一件大事——“极端”装置的国家验收会。下午2点，吕力和各实验站的负责人从各栋X楼里出来，集中到附近的验收会场。
会上，吕力走上讲台，给台下按U形围坐的30位专家讲述“极端”装置从2017年9月开工建设以来的全部历程。
过去近8年的建设历程，被吕力浓缩进一份PPT（演示文稿）里，留下一串串令他们自豪的数字。“我们实现了1毫开尔文的极低温、300吉帕的超高压、26特斯拉的超导磁体强磁场和100阿秒的超快光场等单项极端条件，并达到了10000 特斯拉/开尔文的磁场/温度值、2800特斯拉·吉帕/开尔文的磁场·压力/温度值和60000吉帕·开尔文的压力·温度值，及4.2开尔文以下、不高于200飞秒的超快光脉宽等综合极端条件。”吕力介绍说。
X楼里的绝活儿
吕力在讲台上作报告时，物理所副所长程金光、研究员周睿也坐在场下，他们负责的装置都在X3楼。
程金光是“极低温超高压物性测量-六面砧实验站”的负责人，拿手绝活儿是“超高压”。
这个实验站的核心设备是6块大小相同的梯形压砧，中心放着指甲盖大小的立方密封块，密封块里是装满液体的传压介质，从内部伸出两根比头发丝还细的导线。工作时，样品连着导线被放在密封块的液体里，压砧则从上下左右前后方向同时挤压密封块，使样品“享受”到最高约15万个标准大气压的压强——相当于15万头成年大象同时站在1平方米的地面上。
程金光是一位研究超导材料的凝聚态物理学家，2012年到2014年在日本东京大学物性研究所做博士后研究。其间，他不仅掌握了六面砧高压测试技术，还通过改进密封框，将高压极限值提升了近一倍。
回到物理所后，他将高压技术与低温、强磁场等极端条件集成在一起，在物理所的中关村园区建立了一个小型的高静水压研究设备，最高压强能达到约8万个标准大气压。
2017年，“极端”装置开工建设，程金光开始挑战更极端的指标。
设备研制初始，程金光团队光是和厂家磨合定制特殊的制冷机就花了半年时间，反反复复改进。为了让实验站创造的条件达到新的极限，程金光带着团队“死磕”各种技术细节，包括六面砧的尺寸、密封块的构型、设备里的各类材料……直到创造出的高压、低温、磁场单项极限分别达到约15万个标准大气压、-273.145摄氏度、12特斯拉。
和程金光一样，“强磁场核磁共振实验站”负责人周睿的研究方向也是超导材料。不同的是，他的绝活儿是“强磁场”。
周睿在物理所攻读博士学位时，就已经关注强磁场下的超导材料研究，毕业后他在法国强磁场实验室工作了3年半，接触到水冷磁体等先进技术和大装置设计建设工作。2018年，“极端”装置开工建设后没多久，周睿被其吸引回国，承担一台强磁场极端装备的研制任务。
他感觉到，当条件被推向更极端时，任何微小的缺陷都会被无限放大。有段时间，他们好不容易实现了强磁场和极低温条件，可实验站的液氦消耗量大得惊人，“500升一罐的液氦，一天就没了”。反复查找原因后，他们发现，原来是用来为磁体通电的电流引线发热太大。直到他们在引线上加上了高温超导材料后，才将液氦的日消耗量稳定在90升。
如今，这个实验站用于开展固体材料的核磁共振研究，可以稳定地将强磁场环境保持在高出地球磁场50万倍的水平。
包括程金光团队和周睿团队在内，“极端”装置里的物理学家们几乎个个有绝活儿——有些人擅长“超高压”“强磁场”，还有一些人擅长“超低温”“超快光场”，他们或是将温度逼近无法企及的“绝对零度”，或是以光为媒“照亮”电子的运动。
这些有绝活儿的科学家聚到一起，像玩乐高积木一样，根据用户需求“组装”各种极端条件。
“极端”商店
验收会上，当听到吕力介绍“笼目晶格量子材料”成果时，程金光和周睿相视一笑。这是浙江大学教授曹光旱团队刊发在《自然》杂志上的一项成果，实验数据来自程金光和周睿负责的两个实验站。
曹光旱是最早体验过“极端”装置的用户团队之一。在他看来，“极端”装置就像一站式商店。
2023年初，曹光旱团队在浙江大学的实验室里培育出一种具有笼目结构的特殊晶体。根据以往的研究经验，曹光旱推断，它很有可能是一种超导磁性材料。
然而，用了很长时间，他们都没能看到材料的超导迹象。曹光旱想：如果对材料施加高压，有没有可能诱导出材料的超导特性？于是，他们向“极端”装置发起申请并获得了实验机时。
为他们服务的正是程金光团队。实验过程不轻松，晶体样品是0.5毫米大、0.03毫米厚的六角形薄片，比一片雪花还小。“我们把它放进压力设备中，还没测就碎了。”程金光回忆说。
经过反复讨论，实验团队设计出一种合适的实验方案。两周后，曹光旱收到程金光发来的好消息：“曹老师，测到6吉帕，高温相变抑制了，看到超导了！”再往后，程金光团队又把压力向下调，只用了3天，他们就找到了超导特性出现的临界点。
为了更精确地描述这种材料的磁性特征，程金光又帮忙协调周睿团队和强磁场核磁共振实验站加入研究，将材料的磁性数据更详尽地测量出来。
研究充分证明，材料确实具有磁性和超导性能，它也因此成为物理学家用于研究笼目结构超导磁性材料的新平台。
论文发表后，面对上门采访的媒体记者，曹光旱毫不吝啬地赞美合作伙伴和他们的装置：“装置可以同时提供多种极端条件，使研究人员可以更全面、更高效地测定样品特性，对于用户来说太便利了。”
终极梦想
验收会上，委员会的专家听完汇报，就按照从X1楼到X3楼，再到X7楼的顺序，逐一考察了装置平台。大家讨论后认为：“项目按指标全面、高质量完成了国家发展和改革委员会批复的各项建设任务。”
在场的所有参与装置建设的人员都松了一口气。过去8年里，他们一点点把实验条件推向极端，终于把梦想变成了现实。
最初，他们只是想建一个具有极低温实验条件的设施。“我们想，能不能从国家层面建设更好的极低温测量平台，让更多人都能用得上？”吕力回忆。
此后，他们的设想从最初的低温研究装置变成了综合性研究装置。“我们察觉到，尽管当时国外已经有很多具备极端实验条件的实验室，但它们都是在单项指标上做得很高，而在不同极端条件之间的交叉和测量系统的配套方面存在种种不足。”吕力说。
2004年，他们已经开始考虑综合各种极端条件。这年年初，物理所成立专门的工作小组，推动极端条件物理平台建设，由时任物理所极端条件物理实验室主任吕力担任组长、低温物理专家金铎研究员担任顾问。
2008年，在中国科学院国家重大科研装备研制项目支持下，物理所正式开展“综合极端条件实验系统”研究，纳入多种极端条件实验手段。2016年，国家发展改革委正式批复“综合极端条件实验装置”项目建议书。次年9月，“极端”装置开工建设。
如今，“极端”装置建设正式运行。这些走在“极端”边上的物理学家依然雄心勃勃，他们的目标不只是认识世界。“认识世界是一个基础，更重要的是控制物质的状态，造福人类。”吕力说。
回想历史，三次工业无一不是人类对物态控制能力升级的结果。人类控制水的气态和液态，发明和升级蒸汽机，实现第一次工业；人类控制电的能量状态，进入“电气时代”，完成第二次工业；人类控制半导体的导电态，发明计算机，实现第三次工业。
“现在，我们依然在尝试调控物质的状态，比如量子态，而这将促成新一轮工业。”吕力说。
每次骑行在柏油路上时，吕力时常会想，当物理学家追求用超自然的“极端”工具寻找改变世界的可能时，“极端”装置建设本身就已经改变了当地人的生活。2017年，他第一次来到这里，周边全是农田。现在，这里成为综合性国家科学中心，科学技术与山水田园交织在一起，人们在自然里，已经开辟出了新天地。
《中国科学报》(2025-03-27 第4版 人物)
