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综合极端条件实验装置

CSTR:31123.02.SECUF

建设世界领先的集超高压、极低温、强磁场和超快光场等综合极端条件为一体的装置，开展极端条件下的材料合成、物性表征、量子态调控以及超快过程等物质科学前沿领域研究。项目法人单位为物理所，建设地点为北京市怀柔区。

设备展示

辅助实验室

极低温超高压物性测量-金刚石压砧实验站主要由无液氦的14 T超导磁体和无液氦的大口径低温恒温器组成，最低温度可达约500 mK；低温腔内径60 mm，可满足绝大多数高压核（high pressure cell）的测量要求。该实验站配套有直流、交流测量仪表及控制程序，可以实现高压下的电阻、磁阻和霍尔系数的测量。同时也配套有高压研究所需的大型体式显微镜、Raman光谱仪、铍铜无磁高压核以及配套的控制器等。该实验站主要用于固体材料的超高压-极低温物性研究，最高压强为100 GPa，最低温度为500 mK，最大磁场为14 T。

A1 极低温超高压物性测量-金刚石压砧实验站
CSTR:31123.02.SECUF.A1

极低温超高压物性测量-六面砧实验站主要开展高静水压下的精确物性测量和物态调控研究。该实验站采用独特的能产生最高15 GPa静水压的微型六面砧压腔，联合定制型低温恒温器和超导磁体，为用户提供高静水压、极低温和强磁场等综合极端条件下的电输运、磁化率、交流比热等物性测量，并可根据研究需求联合研发新的测试技术。该实验站提供两套与六面砧压腔配套使用的低温恒温器和超导磁体系统：（1）He4制冷机和9 T磁体单元，用于1.5-300 K、0-9 T的高压物性测量；（2）稀释制冷机和12 T磁体单元，用于~0.02-30 K、0-12 T条件下的高压物性测量。六面砧压腔采用三轴加压方式并且样品浸泡在液体传压介质中，最大程度保证压力的各向同性和均匀性，有利于获得待测样品的本征压力效应和物态演变规律。

A2 极低温超高压物性测量-六面砧实验站
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极低温强磁场量子振荡实验站由两套磁体系统构成，分别为26T高低温混合超导磁体系统和18/20 T低温超导磁体系统。两套磁体系统可共享一个带有转角结构的稀释制冷机，可用温度范围为30 mK – 1.2 K。两套磁体系统分别有各自的VTI，可用温度范围均为 1.5 K – 300 K，与之配合的样品杆具备转角结构。配备的测量系统包括：（1）基于TDO（隧道二极管振荡器）技术的量子振荡测量系统；（2）纳伏级极低水平信号测量系统。用户也可以基于以上温度和磁场环境，与实验站共同开发其它类型及新型测量系统，例如高压，光谱等。

A3 极低温强磁场量子振荡实验站
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极端条件光谱测量-太赫兹与红外实验站包含两个子运行单元：磁场下红外光谱和时间分辨太赫兹光谱。磁场下红外光谱运行单元包括：（1）与12 T分裂式磁体耦合的傅里叶变换红外光谱仪；（2）与20 T螺线管磁体耦合的傅里叶变换红外光谱仪。时间分辨太赫兹光谱测量单元包括10 T磁场下的太赫兹时域光谱和强场近红外/中红外/太赫兹泵浦-探测测量单元。

A4 极端条件光谱测量-太赫兹与红外实验站
CSTR:31123.02.SECUF.A4

极端条件光谱测量-拉曼实验站是由拉曼光谱仪（HR-evolution/T64000）、低温恒温器（attocube2100/PPMS dynaCool）以及高压压机（TozerDAC）等设备组成。该实验站主要用于固体材料的低温、强磁场以及高压的拉曼散射研究，最低温可达1.8 K，最高磁场可达14 T，最大压强可达30 GPa。同时，拉曼光谱仪配备有4种不同波长的激光器（473、532、633、785 nm），可以实现最低10 cm-1的拉曼测量。

A5 极端条件光谱测量-拉曼实验站
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强磁场核磁共振实验站由高低温混合全超导磁体、变温插件、稀释制冷机插件、磁共振测量系统和氦液化器组成。该实验站主要用于固体材料的极低温强磁场核磁共振研究，最低温可达20 mK，最高磁场可达26 T。相比于水冷磁体，全超导磁体的能耗降低了三个数量级，磁场空间均匀性和时间稳定性也大幅度提高。配合液氦回收系统，全超导磁体可以稳定且连续的工作。目前，我们仍在对系统进行持续的升级和改造，有望很快就可以进行高分辨核磁共振实验、磁共振成像以及高压核磁共振实验。

A6 强磁场核磁共振实验站
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极低温强磁场扫描隧道实验站主要由稀释制冷机、超导磁体、超高真空系统、减震-电磁屏蔽单元以及扫描隧道测量单元组成。扫描探头温度可低至10 mK，最高磁场达到20 T。通过不断优化射频滤波、振动衰减、测量电路信噪比等因素，可将扫描隧道显微谱仪的能量和空间分辨率以及测量稳定性提高至国际领先水平。自制STM探头固定在稀释制冷机底部，采用“顶部装载”方式。超高真空系统可以对样品进行原位表面处理以及薄膜材料的生长。

A7 极低温强磁场扫描隧道实验站
CSTR:31123.02.SECUF.A7

低温原位扫描隧道-角分辨光电子谱实验站通过超高真空管道连接极低温强磁场扫描隧道显微镜（STM）、高分辨角分辨光电子能谱（ARPES）、氧化物分子束外延（OMBE）、激光分子束外延（LMBE），实现外延生长高质量的薄膜样品，继而对样品在实空间和动量空间的电子结构进行联合表征。该实验站是材料探索和物性研究的先进实验平台，能够程序控制自动生长高质量的复杂组分薄膜样品（OMBE、LMBE），继而超高真空传输至STM和ARPES测量局域电子态密度（STM 0.3 K，16 T）和电子能带结构（ARPES 4 K，3 meV），其原位生长和表征的特点在复杂材料的表面物理研究中具有明显的技术优势。实验站的建设体现了综合极端条件大科学装置的特色，能够为国内外科研单位从事量子材料生长表征提供优质的实验研究资源。

A8 低温原位扫描隧道-角分辨光电子谱实验站
CSTR:31123.02.SECUF.A8

高压原位多物理量协同测量实验站提供了能够同时在高、低温环境和压力作用下实现包括电学、磁学、光谱学（拉曼、布里渊）等物理性质表征的工具。拉曼、布里渊光谱可通过物质的声子等元激发随温度、压力的变化规律来研究物质的结构相变等物理现象，运用激光加热金刚石压砧技术可实现 300 GPa 和 5000 K 以上温度的高温高压实验条件，进一步拓展凝聚态物质研究的压力温度区间，可以实质性推动对在更为宽广的“压力-温度-组分”空间新物质的发现，充满巨大的机遇、挑战和发展前景。

A9 高压原位多物理量协同测量实验站
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亚毫开实验站是通过在稀释制冷机上加装核绝热去磁制冷单元实现的1 mK以下的极低温区。在此基础上，配备了精密的电子学测量仪表，通过严密的多重电磁屏蔽与接地优化，整个实验站具有极低的噪声（<10 nV），是开展纳米量子电子学、拓扑量子计算、关联电子体系的物性和调控研究的理想测量系统。该实验站包括核绝热去磁制冷测量单元和顶部插杆式稀释制冷机测量单元两部分，顶部插杆式稀释制冷机测量单元主要用于为绝热去磁制冷测量单元提供快速、便捷的筛选样品途径。

C1 亚毫开实验站
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极低温超导量子器件调控实验站装载有多个自研超导量子比特芯片，通过云平台的方式向外提供远程控制服务。用户既可以登录网站（http://quafu.baqis.ac.cn）在网页上操作云平台，也可以在本地电脑下载python工具包pyquafu进行编程使用。该实验站同时提供对超导量子芯片的表征和测试服务，目前实验站拥有两个可独立运行的量子芯片测控平台，并提供了远程访问接口，包含的硬件设备主要有稀释制冷机、任意波发生器、微波信号发生器、信号采集系统、矢量网络分析仪等等。

C2 极低温超导量子器件调控实验站
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量子态在调控过程中需要尽可能长时间地保持相位相干性，以使得量子信息不被丢失，相关的实验必须要在极低温综合极端条件下进行。极低温强磁场量子输运和调控实验站在无液氦稀释制冷机上搭建了多通道的微波和低频/直流测量线，配备了多温区多级的信号滤波、隔离和放大系统，以及室温的直流电压表、锁相放大器等测控仪表。两套设备均可以实现 30 mK 以下的极低温环境，配备的超导磁体分别为 12 T 的单轴垂直磁体和 9-1-1 T 的3D矢量磁体。

C3 极低温强磁场量子输运和调控实验站
CSTR:31123.02.SECUF.C3

低温强磁场电子波谱学实验站将低温强磁场等极端条件与波谱学、量子输运等测量手段成功整合起来，构成了极具特色的综合测量系统，可以用于开展低温强磁场下量子材料的奇异物性、拓扑物态研究以及量子器件的量子调控研究。低温强磁场环境主要由配备超导磁体(20 T和9 T/3 T/1 T)的两台自研的3He制冷机提供。另有一台SM4000 Spectromag磁体光学杜瓦单元供用户在较高的温度（2-300 K）和较低的磁场（10 T）下开展样品的挑选或其他预研工作。波谱学测量设备主要由红外傅立叶光谱仪（8000-5 cm-1）、毫米波矢量分析仪（10 MHz -100 GHz）、微波频谱分析仪（3 Hz -75 GHz），微波信号发生器（250 kHz - 67 GHz）构成。电学弱信号测量设备由多台锁相放大器、各种前置放大器、低噪声精密源表等构成。通过多重电磁屏蔽与接地处理，整个实验站测量噪声水平低于10 nV。

C4 低温强磁场电子波谱学实验站
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飞秒超快实验站是基于飞秒激光光源的用于超快科学研究的综合实验平台。它将为用户提供宽光谱范围、高能量、高重复频率、多用途的超快科学研究工具，在飞秒时间尺度上研究原子、分子、液体中弱键相互作用的分子体系以及固体中晶格的动力学行为。实验站由时间分辨吸收光谱实验单元、时间分辨原子分子物理实验单元、极端非线性光学超快实验单元和飞秒时间分辨荧光光谱实验单元组成。

D1 飞秒超快实验站
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阿秒超快实验站是利用极紫外（XUV）波段的阿秒激光和高次谐波光源，结合光电子能谱仪如角分辨光电子能谱仪（ARPES）、冷靶反冲离子动量谱仪（COLTRIMS）、光电子显微镜（PEEM）、电子时间飞行谱仪（TOF）等终端设备，并配合极低温极端条件，实现既有阿秒时间分辨，又有动量分辨、能量分辨和空间分辨的测量技术，对原子、分子、表面以及固体材料中电子超快动力学行为进行探索，实现对相关宏观现象的理解和应用，其研究领域包括物理、化学、生物、医学等多个学科。该实验站包括阿秒激光装置、时间分辨ARPES装置、时间分辨PEEM装置、时间分辨COLTRIMS装置、以及4台不同参数的飞秒激光器。

D2 阿秒超快实验站
CSTR:31123.02.SECUF.D2

超快X射线动力学实验站的主要功能是利用飞秒强激光与靶相互作用产生的超快X射线脉冲作为探针光，结合与之天然同步的驱动激光作为泵浦光，对物质样品开展超快时间分辨的激光泵浦-X射线探测研究，可为光合作用、俄歇过程、晶格振动过程等提供四维超快研究能力。实验站主体部分由超净实验室，超短超强飞秒激光驱动器、真空腔室组件和X射线源组成。超短超强激光驱动器可实现前后两级输出，分别对应不同的X 射线束线模式：前级为100 Hz，3 TW输出，用于重复频率模式的X射线束线；后级为1 PW单发输出，用于单发模式的超强X射线束线。

D3 超快X射线动力学实验站
CSTR:31123.02.SECUF.D3

超快电镜实验站以超快透射电子显微镜为主干、以聚焦离子束等制样设备为辅助，可为研究物质科学和生命科学领域的结构动力学现象提供重要的观测手段。超快电子显微镜集成飞秒激光系统和高分辨电子显微镜于一体，可以进行高时空分辨的显微成像、微区衍射、能谱分析以及光诱导近场电子显微学研究。该实验站聚焦最新科学前沿和关键科学技术问题，通过对物质中的原子、分子、电子等微观动力学行为研究，探索微观领域新现象和新规律。

D4 超快电镜实验站
CSTR:31123.02.SECUF.D4

超快电子衍射实验站利用飞秒激光与高能电子衍射相结合的超快电子衍射技术，实现了对晶格结构动力学亚皮秒的时间分辨和极细微的空间解析。超快电子衍射实验站由飞秒激光器、超快电子源及衍射系统、样品制备与表面处理系统、千级洁净间等运行单元组成。超快电子衍射系统电子脉冲能量范围：20-100 keV，时间分辨率：≤500 fs，空间解析度：≤0.005 Å，电子透射模式下可对百纳米以下厚度的薄膜样品进行研究。样品温度的可变范围：15 K~500 K。未来还将进一步开放反射模式电子衍射实验。该系统配备了一套样品制备与表面处理单元，包括：研磨机、真空烘烤箱、蒸镀源、低能电子衍射仪及俄歇电子分析仪、反射式高能电子衍射仪等设备，方便用户现场进行样品的制备以及原位的退火、蒸镀和样品质量的检测等。除超快电子衍射实验外，实验室的超快电子源及飞秒激光系统还可用于非线性光学，微纳光学元件，太赫兹技术等与电子全光调控相关的研究以及超快光谱学研究。

D5 超快电子衍射实验站
CSTR:31123.02.SECUF.D5

微纳加工实验室主要满足综合极端条件实验装置的用户及各系统测试所必须的微纳结构与器件的制备需求。平台包含百级洁净区和千级洁净区，其中百级洁净区为黄光区，分为四个功能区域，可进行不同方式曝光、显影以及涂胶等工艺过程；千级洁净区分为八个功能区域，可进行各种材料的光刻、沉积、刻蚀等工艺过程及其微纳结构表征与物性测试。微纳加工实验室的主要工艺指标包括：电子束光刻最小线宽为8 nm，紫外光刻最小线宽为0.5 μm，激光直写分辨率为600 nm，硅材料刻蚀最小线宽为30 nm，硅材料刻蚀最高深宽比为30:1，硅材料刻蚀侧壁倾斜角度在85°~92°可调。

F1 微纳加工实验室
CSTR:31123.02.SECUF.F1

样品预选和表征实验站主要是为综合极端条件实验装置内各个实验站提供样品的制备和处理；并通过初步的形貌、结构和物性表征，筛选高质量的样品，为下一步极端条件下的物性研究做准备。

F2 样品预选和表征实验站
CSTR:31123.02.SECUF.F2

固体环境高温高压极端条件实验站是开展大体积材料高温高压极端条件下相关研究的系统。该实验站主要由新一代万吨级圆柱体高压腔体超高压产生装置（安装调试中）和基于两面顶构架的高精度2-6-8型八面体压腔高温高压产生装置组成。在提高现有大腔体压机压力的同时，增大样品腔的体积。圆柱体高压腔体超高温高压产生装置建成后可在厘米级样品上实现20 GPa、300-2500K的极端条件；八面体压腔高温高压产生装置包括3000T Kawai、1000T Kawai和1000T DIA 型高压产生装置，可在毫米级样品上实现28 GPa、300-2500 K的极端条件，能够扩大超高压高温相关的研究工作范围。该实验站可开展大尺寸新型功能材料制8备，物质输运性质的高温高压原位测量，物质高压化学反应过程，模拟地球深部环境，地球矿物及天体陨石等研究。

B1 固体环境高温高压极端条件实验站（吉林）
CSTR:31123.02.SECUF.B1

液体环境高温高压极端条件实验站由高温高压产生装置和原位谱学测试系统组成。其中，高温高压产生装置由两台液体环境大腔体压机构成，包括百毫升级液体“超高温静高压产生装置”和微升级液体“活塞圆筒液态高压产生装置”。百毫升级液体“超高温静高压产生装置”具有百毫升级大容积样品腔，能够在液相环境下实现500 MPa、800 K的温压环境；微升级液体“活塞圆筒液态高压产生装置”具有十微升级的大容积样品腔，能够在液相环境下实现1.8 GPa和1000K的温压环境。同时针对大腔体压机配套有原位谱学测试系统，包括倒置荧光显微镜、拉曼光谱仪、瞬态荧光光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪等仪器设备，能够在大腔体压机工作过程中实现高温高压条件下原位的光谱学测量，对于高温高压极端条件下物质的物性变化进行更深层次的表征。

B2 液体环境高温高压极端条件实验站（吉林）
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非平衡高压极端条件实验站包括“可控快速增压高压实验装置”与“单轴加压高压实验装置”两套设备，分别搭建了：（1）时间分辨上的压力快速加载高压产生装置，研制时间在毫秒级，高压腔体压力可加载到10 GPa的高压装置，实现动、静高压之间的科学研究极端条件；（2）空间分辨上的非平衡超高压实验设备，实现在非平衡高压下材料的压缩形变与剪切/扭曲形变，为其诱导的相变与材料的力学/弹性性能、电学性能的变化规律提供研究条件，能实现的非平衡极限压力最高可达到8 GPa。

B3 非平衡高压极端条件实验站（吉林）
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