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物理真奇妙:云上科技周探访中科院物理所

来源:中国科普网 作者:张克 2020-09-01 10:19

光学实验室,超导实验室,电子显微镜实验室,微加工实验室……这些高深莫测的实验室在多数人心里总有一种神秘感,引起人们无尽的想象。在2020年全国科技活动周期间,记者跟随科普达人妈咪说和中国科学院物理研究所科技处胡颖博士一起,近距离地走进这些实验室,聆听科学家的解说。

受新冠肺炎疫情影响,已经举办了20年的全国科技活动周,北京的许多活动大都采用网络直播的形式。8月28日,中国科普网、科普时报社联合字节跳动旗下的抖音、头条、西瓜视频等网站,在中国科学院物理研究所举办了一场主题为“物理真奇妙 · 云上科技周”的网络直播,让公众在云端学习科学知识,领略科技的魅力。

中国科学院物理研究所,前身是成立于1928年的国立中央研究院物理研究所和成立于1929年的北平研究院物理研究所,1950年在两所合并的基础上成立了中国科学院应用物理研究所,1958年9月30日启用现名。从物理研究所一楼所史展里可以看到这一清晰脉络,其历史沿革进程反映了物理学在中国生根、发芽、成长、壮大的过程,各个历史时期的科研工作者为中国的科技发展作出了卓越贡献。筚路蓝缕,不畏艰难,求实创新的精神激励着一代又一代物理所人薪火相传,砥砺奋进。

记者在胡颖博士的带领下来到二楼的院士墙,这是很多参观者的必来之地。一张张不同年代70余位院士专家的照片,折射了中国物理学的精神传承,讲述了每个人在不同时期的奋斗故事,以及对物理学科的赤诚奉献。 

“请大家穿上防尘服、防尘帽和防尘鞋套。”随着王进光博士的提示,我们“全副武装”进入光学实验室,这里有中国最先进的激光器。光是和人类最为密切的一种自然现象。20世纪60年代,科学家发明了激光。随着激光焊接、激光切割、激光打孔、激光美容、激光照排制版等等激光技术的创新发展,不仅带来了自然科学研究的许多变革,还走进了千家万户,成为日常生活不可或缺的重要组成部分。“而激光核聚变大型工程、为‘两弹一星’服务的激光靶场测量设备、人造地球卫星激光测距系统、激光测距机、激光雷达、激光长度基准、激光光谱和科研用激光仪器等同样是我国高科技的重要组成部分。”王进光博士通俗易懂的介绍。

光学实验室的研究工作大多数已进入国际竞争的前沿,承担多项国家和省部委的重大和重点研究课题。几十年来,光学实验室在光物理及其相关领域的研究中发挥了应有的作用。

什么是超导?超导实验又在研究什么?“我们马上要进入有视觉科幻感的、银色的世界。”胡颖博士带领我们敲开了超导实验室的大门。“你们看到这里设备上的层层铝箔,是不是觉得可以烧烤啦。”超导实验室赵林副研究员拉家常似的介绍,让我们零距离观看了研究人员操作精密的仪器研究超导。在这个银色的实验室里,大部分的设备都是不锈钢材质,包裹着厚厚的铝箔。铝导热性好,让不锈钢的腔体在烘烤获得高真空的过程保持温度均匀。

角分辨光电子能谱仪器是超导实验室中的重要仪器设备,它主要由三部分构成——光源、样品传输与低温系统以及测量系统,承担起超导机理研究的重要责任。实验室研究人员打趣地说到,“角分辨光电子能谱仪的原理就是光电效应,有光子激发电子,进而获得电子信息,主要用来研究固体材料的微观电子结构。其测量数据的过程就像人在钓鱼”。在这个过程中,角分辨光电子能谱仪器就像一个“鱼竿”,光源是“钓鱼线”和“鱼钩”,被测样品是“鱼塘”,电子是“小鱼”。要想知道“池塘”里有什么“鱼”,就可以把它“钓”出来看。“有了这个先进的角分辨光电子能谱仪,我们就可以知道超导材料的微观电子结构,它是超导机理研究的重要一环。”通过这些仪器,研究人员做过许多的实验并取得了很多成果,如首次探测到一些铁基超导体的电子结构,超导能隙等相关信息。值得一提的是,这里的光电子能谱利用了真空紫外激光技术,是我们国家自主产出的核心技术。

如今的超导实验室,已经发展为一个具有多方面能力的小型科研基地,这个拥有各类高能“玩具”的实验室汇聚了一批中国顶尖的超导科学家,他们在这里孜孜不倦地奋斗着。

电子显微镜实验室需要常年恒温18度左右的工作环境,在屋里身着薄羽绒服的苏东研究员热情接待了我们。他介绍了电子显微镜这种先进的仪器和物理所电镜室所进行的研究工作,包括半导体材料、超导材料和能源材料,用原位电镜甚至可以看到这些材料的结构变化-微观反应动力学研究。“电镜是一种结构复杂、价格昂贵,要求环境条件比较严苛的大型精密仪器。其主体组成——电磁透镜本身就是一个磁场,很容易受到外界磁场,特别是交变磁场的干扰。如果要发挥电镜的最佳性能,首先要防磁。电镜室应远离电台,大型电机设备,大变压器及高压输电电缆等强磁干扰,以及核磁共振,质谱,高能粒子加速器等强磁仪器等等。其次要防震,这里的电镜都采用了较好的防震抗震设施。电镜室必须远离铁路,载重车道,大型冲床,锻造、汽锤等振动源等。还要防尘和保持稳定的较低温度,从而使电子器件工作稳定——这是为什么房间里温度低的原因。”电镜的根本效能在于其高分辨率本领,通过它,人们可以研究以前无法想象的微小世界,甚至直接看到原子的运动。世界是由原子构成的,这在电镜世界里不是空想,而是实实在在的图像。电镜带领人们走入如《爱丽丝梦游仙境》里的新世界,告诉人们微观世界的规律。

科研是一项枯燥的工作,离不开长年累月的实验、无尽的公式和理论。科学家从事着电镜研究这项意义深远的科研工作。

“作为一种新型的成像技术,‘鬼成像’一出现便受到广泛关注。因其有一条光路不经过物体而成像,故取名‘鬼成像’,显示了其不一样的性质,在医学领域具有巨大的应用价值。因为它是低辐射,可以在超低辐射剂量下成像,可以低剂量的通过x光检查身体,目前这项技术正朝着实际医学应用迈进。”在最后一个实验室微加工实验室,全保刚博士由浅入深地向我们讲解,讲到了时间和空间的结合、讲到了原子钟、讲到了像窗花一样的纳米剪纸技术……

科技改变着世界,也改变着人们的生活方式。本届全国科技活动周在中科院物理研究所的线上体验活动,由于时间的关系,只能参观有限的4个实验室。短短1 个半小时的直播,吸引了数万观众在线观看。正如参与本次活动的两位科普达人所言:每年一度的科技活动周,不但成为研究所面向社会展示重大科技创新成果和重要科学进展的窗口,也成为社会公众感受浓厚科学文化、了解科学研究在服务国家发展、创造美好生活、塑造人类未来等方面重要作用的桥梁。