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追寻力的极限走近新一代极弱力测量科学装置

2023-03-03 22:59:15 425

摘要:新一代基于光动量效应的极弱力测量科学装置。之江实验室供图“就算隔着十万大山与江河湖海,哪怕站在世界的两端,你对我的吸引,都如此清晰,我对你的思念,都一直存在。”你可能认为,这仅仅是一句描绘爱情的诗句,但在之江实验室量子传感研究中心的科研人员...

新一代基于光动量效应的极弱力测量科学装置。之江实验室供图

“就算隔着十万大山与江河湖海,哪怕站在世界的两端,你对我的吸引,都如此清晰,我对你的思念,都一直存在。”你可能认为,这仅仅是一句描绘爱情的诗句,但在之江实验室量子传感研究中心的科研人员眼中,测算出这种极微小的吸引力,就是他们努力的目标。

“只要是有质量的两个物体,相互之间就会产生引力。如果两个成年人正好站在地球相对应的两端,那么他们之间所产生的引力大约是10-21N量级。现在我们研制的极弱力测量科学装置,能够稳定测量出比上述情形还要小得多的极弱力。”之江实验室量子传感研究中心副主任高晓文说。

前不久,之江实验室在成立5周年之际,发布了一系列重大科研成果。其中,由之江实验室牵头,联合浙江大学等共同设计研制、具有完全自主知识产权的新一代基于光动量效应的极弱力测量科学装置受到关注。据项目组介绍,经过与目前全球相关领域的公开指标对比以及专家验收测试,该装置的核心性能指标已居全球领先水平。

新一代基于光动量效应的极弱力测量科学装置(局部)。之江实验室供图

“没有测量,便没有科学”

力,是体现和反映客观世界物质相互作用的基本形式之一。可以说,人类对客观世界基本运行规律的认知,是建立在对力的准确描述上的,也由此诞生了一系列伟大的物理理论,包括描述引力的广义相对论和描述电磁强、弱相互作用的粒子物理标准模型。前者作为经典理论,描述了一切宏观引力现象;后者作为量子理论,描述了微观领域其他三种基本相互作用。

门捷列夫曾经说过,“科学始于测量。没有测量,便没有科学。”现代科学既是实验科学,也是测量科学,是理论和实验相互促进相互发展的产物,前沿理论指引科学实验的方向,催生更精密的力学测量装置,而更精密的力学测量装置和实验反过来又可以去检验更深层的理论。

18世纪,英国物理学家卡文迪许利用机械式扭称实现了10-7N的测量精度,完成了对牛顿万有引力定律的验证,推动了经典力学在近300年内对科学发展的指导。20世纪七八十年代,原子力显微镜、液体光镊等发明,将力测量能力提升到了10-12量级,可以实现DNA、蛋白质的解折叠与折叠,分子间化学键断裂过程的力学探测,提升了人类在单分子层面对材料、生物、化学等的认知。

当前世界科学界最前沿的几个问题,都离不开对力的研究。例如,基于大量天文运行数据,理论物理学家和天文学家们指出,在宇宙空间中应充斥着大量看不见、摸不着的暗物质、暗能量,对暗物质、暗能量的探测和检验是宇宙物理学的重大命题。

“提升力精密测量的能力,能为人类不断探索科学规律、认知客观世界提供有力的科研利器。”高晓文介绍,“希望我们研制的极弱力测量科学装置及相关核心技术,能够在相关领域得到应用,为重大科学问题研究作出贡献。”

地下17米的别样科研

前不久,中青报·中青网记者获得批准,参观极弱力测量科学装置。

搭乘电梯到达地下,穿上洁净服,戴上激光防护眼镜,穿过一条长长的走廊,记者进入开阔的地下实验室。这里看起来和一般的实验室区别不大,一些年轻的科研人员在电脑前监测数据。光学平台上的实验装置,体积也并不庞大,只是实验装置上方多了些遮光设备。

科研人员告诉中青报·中青网记者,这里是在地下17米的深处。为了达到科学实验的环境要求,实验装置连同光学平台要单独放置在独立隔振基座上,隔振基座直接构建在地下基岩上,这样的设计为精密测量实验提供了理想的隔振条件。

之江实验室量子传感研究中心最早的员工之一、年轻的副研究员傅振海介绍了装置的工作原理——利用高聚焦激光束,将一个纳米小球悬浮在真空腔中,通过光学干涉等技术“观察”小球轨迹的变化,来测量小球受力的大小。

事实上,哪怕极其轻微的震动,都会让纳米小球的位置发生巨大变化。科研人员透露,因为这项科学研究,原本要通过之江实验室的地铁,在设计阶段就绕了一个大弯,被安排到离之江实验室几公里外的地方。

不仅如此,为了尽可能避开环境干扰,多数实验都要等到夜深人静时才开始。项目组一位科研人员的女朋友,通常在下班后从市区赶到之江实验室,两人趁食堂收摊前一起简单吃个晚饭;晚饭过后让女朋友在办公室等,而科研人员跑去地下17米深处做实验。幸好,这个故事有一个美满的结尾,两人最后喜结连理。

“取得世界领先的技术指标令人欣喜,这背后是实验室条件建设团队和我们科研伙伴们共同努力的结果。”高晓文回忆,他和傅振海第一次抓到纳米小球是在一个塑料瓶里。

团队刚刚组建的时候,实验设备、环境还很简陋,当时只有一个激光器和两个镜子,他们尝试去捕获小球,但怎么也“抓”不起来,他们分析是缺少一个相对稳定的气流环境。灵机一动,他们用空的矿泉水瓶做了一个腔,尝试在矿泉水瓶中释放纳米小球,最后竟然真的成功抓到了小球。

高晓文说,“那是第一次抓到小球,当天晚上我们就去聚餐了,万里长征迈出了第一步。”而为了将纳米尺寸的小球高效稳定地悬浮在超高真空光阱中,项目组李翠红副研究员和同事一起找遍国内外小球样品,探索小球的制备技术,构建小球知识库,目前已成功实现接近100%的纳米球高真空成功捕获率。

“优质的实验环境直接提升了我们的研究效率,之江实验室在智能计算和人工智能领域的科研优势,帮助我们构建了独具特色的传感单元预处理工艺、捕获表征算法和单电荷精度调节手段,并最终形成了极弱力测量特色技术群,具备了支撑科学研究、产业应用等多方面的技术能力。”高晓文表示。

“高原造峰”和“大兵团作战”

在量子研究领域,目前主要有量子传感、量子通信、量子计算三个研究方向。2019年7月,基于光动量效应的极弱力测量科学装置,作为之江实验室第一批重大科学装置立项建设,之江实验室由此开启量子传感方向的探索。

装置立项之初,之江实验室便快速聚集了领域内优势科研机构共同参与研究和建设,高晓文、傅振海、李翠红等人由此从各个高校和科研院所汇聚到之江实验室。

“我在浙江大学读博期间,跟随导师开始了极弱力测量装置的前期研究,并搭建了最初的实验装置原型。之江实验室启动装置建设项目后,我就和团队一起加入之江,与该研究领域内的顶尖科学家们一起,共同冲击更高的极弱力测量目标。”高晓文说。

这样的“之江速度”,得益于实验室主任朱世强一直倡导的“高原造峰”创新模式和“大兵团作战”科研组织模式。短短3年,高晓文和团队伙伴们日夜攻关,突破了多项核心关键技术,装置的核心性能指标也实现了“三级跳”,达到了国际领先水平。

“我们已经建立了一支极具战斗力的研究团队,年轻人在科研实战中快速成长,已经具备了支撑科学研究、产业应用等多方面的能力。”高晓文说。

在高晓文看来,此次成功研制新一代极弱力测量科学装置是团队迈向更广阔科研领域的基石,更多高水平科研成果正在等待他们去收获。据了解,项目组目前已经借助新一代极弱力测量科学装置,陆续启动关于非牛顿力、卡西米尔力、弱力计量、宏观量子态、微观热力学、高频引力波等前沿科学领域的研究工作。

中青报·中青网记者 蒋雨彤 通讯员 周立超 来源:中国青年报

责任编辑:邱晨辉,张蕾

来源:中国青年报

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