科研装置

日出东方，当清晨第一缕阳光照入怀柔科学城的综合极端条件实验装置实验楼时，一位身着蓝色薄羽绒服的科研人员已在实验站开始忙碌。中国科学院物理研究所研究员、综合极端条件实验装置亚毫开实验站负责人刘广同正在观察各种装置设备的数据变化，并对仪器进行相应调试。在新春来临之际，记者走进怀柔科学城，一探科研人员与科研“利器”大科学装置的日夜“纠缠”。要发现更多的可能来自北京量子信息科学研究院的研究人员林飞走进实验楼内的亚毫开实验站，开始对科研样本进行输运性质表征的观测研究。此类样本的研究具有重要的科学意义。2013年薛其坤院士领衔的清华大学—物理所科研团队就曾经在类似样本中首次观测到了量子反常霍尔效应，被杨振宁先生称为诺贝尔奖级的成果。与此同时，在亚毫开实验站内，多项凝聚态物理方面的重要实验正在进行之中。“今天数据有什么异常吗？”刘广同上前询问。这就是刘广同及其团队的日常——不仅需要维护实验装置，负责指导来检测样本的科研人员如何使用装置，有时还按需帮其制订实验方案，甚至直接参与实验过程。实验站先后迎来清华大学、北京大学、上海交通大学等多所高校院所的科研人员，为他们在物理学、材料科学等多学科的实验研究创造条件。记者观察到，实验室核心区域地面上分布着6个深坑。据介绍，这是科研人员为了获取极低温而精心设计的，它的主要目的是给低温设备减振。极低温下，蕴藏着丰富的物理现象。在物理学领域，不少诺贝尔奖成果正是借助极端实验条件取得的。刘广同表示：“我们要创造条件，要发现更多的可能。我们自主研发的一系列实验设备，不仅可以人为达到极低温，还可以创造强磁场、超高压和超快光场等极端条件，旨在发现奇异物性。而且，它们还可以将不同的极端条件‘综合’起来，提供探索未知世界的新维度。”要不断突破上一次两条长长的银色管状仪器装置“躺”在低温强磁场电子波谱学实验站的实验台上，颇为引人注意。这就是刘广同和团队成员自主研发的极低温氦3制冷机。该设备是综合极端条件实验装置量子调控系统的核心低温设备之一。我国的此类设备在相当长一段时期内主要依赖进口。2021年开始，刘广同和团队成员从原材料的设计和采购开始，用特种薄壁不锈钢、高纯无氧铜等原材料加工成零件，再经120多道精密焊口焊接而成，最终打破了之前我国此类极低温科研仪器设备市场被国外垄断的局面，实现了“从无到有”。在刘广同看来，装置的研发，为物理、材料等学科提供了极端特殊的稀有实验条件，利用这样的条件开展科学研究能够极大地促进我国基础研究水平的提高。“时间是挤出来的”。刘广同几乎把全年的节假日都交付实验室，春节假期也不例外。他常说，“搞科研，尤其是基础研究，要有永不磨灭的好奇心、永不认输的韧劲和勇于探索的精神。所以，我从未觉得辛苦，反倒觉得很有乐趣。”“目前，实验站中的实验装置，在最低温度、最高压力等指标上，已处于世界先进水平。”刘广同说，“我们就是要创造更加极端的条件，不断突破上一次。”

国外国家实验室建设的启示　　打造国家实验室，是上海加快建设具有全球影响力的科创中心、围绕张江综合性国家科学中心建设的一项新使命。发达国家的国家实验室是如何运作管理的?能给上海带来怎样的启示?本报今起推出分析，希望对上海的国家实验室建设有所借鉴。　　国家实验室是一种世界通行的科研基地形式，兴起和发展于二战前后，主要围绕国家使命，从事基础性和战略性科研任务，通过多学科交叉协助，解决事关国家安全和经济社会发展全局的重大科技问题。在不同国家，国家实验室名称各异，有的叫“国家(或联邦)实验室”，有的叫“国家科研中心或研究所”，也有的叫“学会、协会或联合会”等。一些发达国家已建成一批高水平的国家实验室，诞生了一大批诺贝尔奖得主，获得了许多科技创新成果。　　集中式科研攻关，避免各自为政　　美国从20世纪上半期就开始建立国家实验室，迄今已建成一个比较完善的国家实验室系统，在全球具有较大影响力。上海科技情报研究所研究员崔晓文介绍，美国国家实验室的建设布局一般充分考虑大学及大型工业企业的需求及优势，从而有效凝聚和整合全国科技资源，更好发挥国家创新平台和增长引擎的功能。　　中科院院士、中科院高能物理所研究员柴之芳表示，综合性强是美国国家实验室一大特点。美国能源部对国家实验室的要求是：“应当更注重科学领域的交叉点，而不是各个学科内部。国家实验室的价值，在于它们能从事高校或民间研究机构难以开展的交叉学科综合性研究。”以位于纽约长岛的布鲁克海文国家实验室为例，它有4个研究方向：先进加速器、同步辐射、分子影像和核成像、计算科学 下设8个科学中心：功能纳米材料中心、神经成像转化中心、计算科学中心、辐射化学中心、环境科学中心、国家核数据中心、加速器物理中心、与日本理化学研究所共建的脑科学中心，可谓“一业(核科学技术)为主，惠及其他”。　　国家实验室实体化、大规模运营的好处，是便于组织管理科研团队，集聚优势力量，在重大前沿科技领域快速取得突破，避免各科研团队各自为政。中科院上海应用物理所研究员何建华说：“我国的重大科技专项虽然也是目标导向、任务导向，但都分散在多家单位进行。这种集中式科研攻关，值得我们借鉴。”　　大科学装置，不能仅仅是一个平台　　还记得人类首次在琥珀里发现的恐龙尾巴吗?科学家们借助上海光源等装置发出的同步辐射光，获得了这段尾巴的纳米级“X 光片”，最终确认这是来自白垩纪手盗龙的尾巴。正在建设的上海张江综合性国家科学中心，拥有上海光源、国家蛋白质科学研究(上海)设施、超强超短激光实验装置等大科学装置。这与同样依托大科学装置的美国国家实验室相比，有什么明显不同?　　上海市科学学所研究员任奔认为，上海的大科学装置作为一个专业性研究机构和研发平台，在我国科技界发挥了积极作用，但与美国国家实验室相比，它在开展综合性、跨学科研究方面还存在较大差距。　　曾在美国劳伦斯伯克利国家实验室工作的何建华介绍，拥有先进光源(ALS)、粒子加速器、分子铸造工厂、电子显微镜等大科学装置和先进仪器的劳伦斯伯克利国家实验室，有雇员5000人左右，其中的科研人员分为长期人员(类似于固定人员)、项目聘用(聘期通常为5年)、短期聘用等类型。不少科研人员在高校兼职做教授，使实验室项目与高校科研、人才培养紧密结合。　　何建华回忆，他在劳伦斯伯克利国家实验室物理生命科学部工作时，部门主任、副主任都是加州大学伯克利分校教授。　　市科委基地处处长过浩敏认为，上海的大科学装置目前较好地发挥了平台作用，为许多科学成果的产出做出了贡献，但除了继续对外开放，也要建立起一支颇具实力的科研队伍，使大科学装置的价值最大化。　　成立专业机构，“吆喝”科研成果　　上海交通大学周岱教授曾牵头有关国家实验室管理体制与运行机制的课题研究。据介绍，德国的国家科研机构每两年会对研究项目进行同行专家评议，其结果作为下一阶段给予该研究所经费的参考依据。一般是先阅读定量数据为主的状态报告，随后实地考察了解情况，最后通过集体讨论形成评价报告。日本的理化学研究所于 1993年设立了由海外诺贝尔奖获得者和国内著名学者组成的“顾问委员会”，每隔7年对主任研究员进行一次非常严格的科研成就评价。目前我国的国家重点实验室，一般由政府主导进行周期性评估，以国内专家为主，只有在某些领域会聘请一些国外专家。周岱指出，对于未来国家实验室的科研项目，政府要逐渐实现“管评分离”，在同行专家评议中引入一定比例的国际权威，使得评价更加国际化和更有针对性。　　据了解，美国国家实验室都把技术转移作为服务国家的一个重要使命，国会通过了一系列的法律来促进技术转移并形成激励机制，使国家实验室和美国的企业不仅在技术上，而且在人员、设备、方法、专业知识以及广泛的技术信息上实现共享。眼下，上海一些科研机构在成果转化上做了许多有益尝试，周岱建议，未来的国家实验室可以建立并不断加强专门的知识产权管理和技术转移机构，为科研成果大声“吆喝”，提高科技成果转化率，促进科技与经济的结合，促进产业转型升级。

世界首个集材料生长、器件制备、测试分析为一体的纳米领域大科学装置——纳米真空互联综合实验站正在我国江苏苏州工业园区建设。这个实验站相当于在太空建设了一个全真空的纳米器件研发平台。　　正在建设中的这个纳米实验站是目前世界上最大的真空互联科研装置。其总体方案是：用总长近500米的超高真空管道，将上百台用于材料生长、器件制备、测试分析的大型仪器设备互联，实现样品在不同设备之间传送时其表面不被氧化、沾污，不被外界大气环境所破坏。中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、纳米真空互联实验站常务副总指挥丁孙安说，实验站通过超高空间分辨、时间分辨、能量分辨、质量分辨等的高端能力仪器设备，对物质的“本征性质”进行研究，从而实现量子材料的设计、制备和表征，后摩尔时代器件加工和测试分析，同时开展新材料、新工艺、新结构和新功能的开发和研究，以及形成第三代半导体工艺包。　　“这个实验装置是在类似太空的全真空环境下的纳米器件研发平台，相当于把现有的加工设备统一搬到太空。”丁孙安说。　　纳米真空互联实验站是依托中科院苏州纳米所，联合清华大学薛其坤院士团队、中科院大连化学物理研究所包信和院士团队建设的。一期建设由中科院、江苏省、苏州市和苏州工业园区共建，预计2018年建成，建设经费3.2亿元。一期建成后将连接30多台设备，形成100米的真空管道。整个实验站的总预算是15亿元。　　苏州工业园区是全球纳米领域具有代表性的八大产业区域之一。中科院纳米所所长杨辉说，在此建设纳米真空互联实验站，是力图通过真空条件下的互联集成和若干重大项目验证，突破现有仪器设备的功能限制，实现材料制备、测试分析与微纳加工工艺等方面协同效应，为科研和战略性新兴产业发展提供先进的、开放性的平台。