中科院物理所实验室参观纪实

非常有幸成为2019年北京市物理高级研修班学员,并走进中科院物理所进行深度观摩学习。近距离和科研工作者以及科学研究接触,大开眼界,感慨良多。

超导国家重点实验室

3月28日下午,我们学习小组参观了罗会仟老师负责的超导体国家重点实验室。科研工作者都是这样朴实、和蔼可亲,罗老师非常热情地接待了我们,并给我们介绍了实验室正在进行的实验以及实验室概况。

罗会仟老师穿着工作服

实验室正在进行超导材料的研究。罗老师给我们讲解了超导材料的物理特性,超导材料的发展简史,现在科学家们关注的就是用不同材料合成,能够在较高温度下有超导性能的材料。实验室要进行材料的生长,并且对材料进行物理性能检测。

超导特性

科研工作者的工作看起来很枯燥,就是日复一日年复一年地进行看起来是重复的劳动,当然形式上是重复,但是内涵上是在不断创新,改变某一个参数,改变某一个条件,看结果到底发生了怎样的响应,最终得出最佳的状态,那才是我们要的结果,也许是经过千百次的实验才能得到的。

超导材料发展史

所以这个实验室招研究生从来不单只招硕士,都是硕博连读,因为仅仅硕士三年,还完不成一个完整的研究。

在实验室里见识到了更精密的电流表,电压表,电源设备。罗老师现场给我们演示了对超导材料性能的检测。当然要把超导体放在一个电路中。要测量超导体的电阻随着温度逐渐降低的变化情况,在电脑中实时显示出图像,就会看到超导体电阻为零的临界点。

科学家们自己搭的电路

需要给超导体降温,本次实验需要降到2k以下。用的是氦,需要用制冷压缩机。降温的装置是科研人员们自己设计制作的,原来真正密封得好的居然不是我们中学物理实验所见的用凡士林油,而是用金属和普通的橡胶圈,当需要制冷的温度再低的时候,橡胶圈也不好用了,只能用很硬的金属密封。这个和我想象的不一样,为什么是硬的金属呢?罗老师说他们很多时候做实验就是在不断拧螺丝,要做很多的体力活,需要用螺丝把两个金属间的压力增大,这样他们就能起到很好的密封作用。这时我忽然理解了,其实就是物体间距离足够近的时候,达到了分子间引力作用的范围。

还了解到一个信息就是,氦的来源问题,因为国内没有这样的矿产资源,需要依赖进口,所以实验室设计了氦的回收系统,回收率能够达到98%。虽然回收系统在建造设计实验室的时候增加了工作量,但是资源(特别是这种稀缺资源)的可回收利用真的是一件利国利民事。

我还问了一个问题,既然中国没有氦的矿藏储备,我们可不可以利用氢元素的聚变来实现呢,但是后来自己又给否定掉了,因为聚变也是很难发生的呀。

特别备注:在参观的过程中,我觉得自己就是一个十万个为什么,不过这种参与的感觉很好。人生就是要不断去探索,始终保持好奇心。

降温过程大约要历时一个半小时,所以我们中间又参观了其他的实验,用x射线来给生长的材料拍照片,观察他的特性。数据记录用的都是科研工作者们自己编写的程序。

给材料拍照片

了解了一下整个实验室这些固定设备的经费,几十万就算便宜的,有些几百万甚至更多。记得魏洪祥老师的讲座就曾经说,科研工作者们就是用国家的钱在做自己喜欢的事,果然是国家的好大一笔钱。

最贵最牛的就是一个生长炉——制作超导体材料的装置,高压光学浮区单晶生长炉,全世界只有4台,中国有两台,其中有一台就在我们参观的实验室。恰好当天这个炉子没有在进行实验,我们还可以看到它里面的样子。它工作时噪音非常大,整个实验室几乎没法呆人。超导材料的生长需要高温高压等条件,这个炉子可以满足这些需求,同时还可以用摄像头监控到里面的情况,因为工作时需要把它密封。为了使能量更聚焦,利用了光加热,反射面采用了一个椭球的抛物面,并且材料表面是镀金的。我们在电脑里看到了它工作过程的录像,原来材料是通过这样的方式合成的。

最贵的炉子

在实验室里,我们几位老师又亲自体验了一下超导磁悬浮实验,体验了它的抗磁性。

终于正在降温的超导体电阻马上要降为0了,我们都集中到电脑屏幕前,等着那一个神奇时刻的来临,突变就在那一时刻发生。

零电阻发生时

心里莫名地感动,原来一切都不是绝对的,随着外在条件的变化,内在的秩序也在发生变化,有时这种变化竟然是本质上对立的。这是自然的逻辑,也是内心的逻辑。

国家重点超导实验室的科研工作者们,走在科技的最前沿,用他们创造性的工作,践行着科技强国的梦想,实验室的多项研究在世界都处于领先地位。

作为一个科研工作者,他们的价值和荣耀也就在这里,担负着科技强国的使命。原来我们的岁月静好,就包括他们在负重前行。

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