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凝聚物质科学大智慧

凝聚物质科学大智慧

  5月初的一个周末,中科院物理研究所/北京凝聚态国家实验室(筹)(以下简称凝聚态物理国家实验室)研究员厚美瑛和往常一样来到实验室开始工作。

  走进实验室,置物架上大大小小的玻璃瓶中装着颜色不一的球形颗粒物。“有玻璃的、金属的,我们会按照尺寸筛选和放置,供不同的实验使用。”厚美瑛向《中国科学报》记者介绍。

  近年来,该研究小组主要关注颗粒物的运动行为。除了研究对象,实验室还搭建了多台用于激发颗粒运动所需的产生重力、振动、剪切和撞击等条件的设备。

  在厚美瑛看来,研究宏观颗粒的运幸运28动机制不仅为人们认识沙尘暴、雪崩、泥石流等自然现象奠定科学基础,还与我国“一带一路”建设所涉及的人类活动与地球环境互动中的海床和脆弱陆域重大工程建设与安全问题息息相关。“另外,着陆器在星球表面的安全着陆等关键问题,也与不同重力场下土壤物理力学特征和动力学相关。”她说。

  随着“实践十号”卫星上科学实验的结束,厚美瑛带领的研究小组更加忙碌。4月6日至4月25日“实践十号”在轨运行期间,研究人员曾6次从科学卫星上获取科学数据。记者在“实践十号”传回的视频中看到,微重力下,实验舱里的金属球像气体分子一样悬浮起来,并有团簇形成。

  “实践十号”卫星为科学家提供了稳定的微重力环境,这也是世界上首次在微重力环境下系统进行的颗粒分仓聚集实验。“实验分为单、双仓两个部分。我们通过单仓观察颗粒的团簇形成条件,通过双仓观察颗粒在两仓的分聚情况。”研究人员介绍。

  目前,他们正在对更多参数实验结果进行进一步分析,以期获得对颗粒聚集行为的系统观察,利用颗粒物质内禀特性,建立空间储存、运输和操作的新方法。

  厚美瑛带领的研究团队属于软物质物理重点实验室,是凝聚态物理国家实验室拥有的众多科研机构之一。多年来,凝聚态物理国家实验室正是依靠科研人员脚踏实地的开拓创新,凝聚了物质科学的大智慧。

  该国家实验室依托于中科院物理所,是2003年由科技部批准建设的首批国家实验室之一。如今,经过10年建设,凝聚态物理国家实验室已拥有16名两院院士领衔的强大科研人才队伍,形成了完善的研究体系和技术支撑体系,研究覆盖了当前凝聚态物理学科的前沿领域。

  同时,多年来,国家实验室以“国际评价机制”和“学术交流与考核评价相结合”的方式,将科研成果具有原创性重大突破或符合国家发展战略需要为更高目标。不拘泥于高水平论文的国际评价制度,让凝聚态物理领域的重大基础研究成果在这里不断开花结果。

  颗粒物运动行为研究受到国际同幸运28行的高度重视。今年1月,位于德国不来梅的上抛式落塔专门排出一周时间,为厚美瑛研究小组提供“实践十号”科学实验的预实验支持。“凝聚态物理国家实验室为科学家提供了自由探索的环境,有利于开展既与国际科学前沿接轨,又能真正面向国家重大需求的基础研究。”厚美瑛表示。

  2014年初,空缺3年之久的国家自然科学奖一等奖,颁给了凝聚态物理国家实验室在铁基高温超导研究中取得的重大突破。当时《科学》杂志指出:“如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国。”

  同年,研究人员基于对拓扑绝缘体的深入研究,与清华大学等合作在实验上实现了“量子反常霍尔效应”。相关工作使人类构造新型量子器件并进一步实现电子技术革命成为可能。

  2015年,该国家实验室由方忠、陈根富、丁洪带领的3个研究小组合作,分别从理论预言、材料、实验等3个环节入手,共同发现了具有真正意义的外尔半金属材料,并通过精确实验验证了“外尔费米子”的存在。

  该国家实验室科研人员指出:“凝聚态物理国家实验室能够在拓扑材料领域逐步走向世界前列的根本原因在于理论、样品、实验的紧密结合,这正是整个国家实验室实力的彰显。”

  除了基础研究,凝聚态物理国家实验室对大科学装置的建设提供了强有力的支撑。据丁洪介绍,上海光源“梦之线”、中国散裂中子源靶站谱仪、中国先进研究堆等大科学装置背后都有凝聚态物理科学家忙碌的身影。

  从2016年3月起,该国家实验室启动建设我国综合极端条件实验装备,将建设集极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件为一体的实验装置,将成为发现新物态、新现象、新规律的科学重器。

  此外,凝聚态物理国家实验室也在产业关键材料与技术应用方面突破壁垒。例如,锂离子动力电池关键技术、碳化硅单晶生长及加工技术等战略性关键技术相继研发成功并已走进市场。

  从基础研究到关键材料产业化,凝聚态物理国家实验室正朝着“全链条一体化”的方向努力迈进。

  (原载于《中国科学报》 2016-05-18 第1版 要闻)