作者:倪思洁 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/18 12:58:32
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“极低温”研究里的炽热情怀

 

天热扇扇子,天冷穿棉袄。当温度往下降,一直降到比零下248.5939摄氏度(24.5561开尔文)更冷的、被称为极低温区的温度时,很多特殊的物理现象就出现了。比方说,1911年荷兰物理学家发现,汞在温度降至4.2开尔文附近时,会突然进入电阻为零的超导状态,由此诞生了低温超导技术。

极低温相关技术的广泛应用,向温度计量学者提出了更高的需求——对极低温区的温度进行精确测量。

过去,极低温区温度的高精度测量一直是我国科技发展中的难言之隐。在很长一段时间里,我国仅有不到10支濒临老化的极低温区标准温度计,向全国传递温度量值。为了保证这些标准温度计的可靠性,只能将它们送到发达国家的基准实验室进行校准,有时需要排队等待一两年甚至更长时间。另一方面,我国这不到10支的极低温区标准温度计也无法满足国内极端条件下关键测、控温传感器的标定需求,后者也只能到国外标定,或使用国外价格昂贵的标定好的温度计。

极低温区温度量值溯源受制于人

按照测量精度由低到高,温度计量体系可以分为三个层级。最低层级的是应用级,例如体温计和工业传感器。中间层级被称为“标准”温度计,可以为应用级温度计校准。最高层级则被称为“基准”温度计,它是具有最高准确度的测温装置,是温度量值体系的“源头”和“基石”,向下可以校准标准温度计,向外可以输出数据形成国际温标,是国家科技水平和综合国力的象征之一。

实现极低温区精准测温,也是中国科学家一直努力的方向。早在上世纪八十年代初期,毛玉柱、洪朝生等科学家开始了我国最早的低温温度计量工作,研制出两套低温温度计量标准设备和一套低温数据自动采集系统,其中0.65开尔文-24.5561开尔文低温温度计量标准获国家专项计量授权,向全国开展温度传递服务。1988年,中国科学院成立了低温计量测试站,这是国内最早开展极低温区温度测量与标定的机构。由于温度越低,想开展高精度测量的难度就越大,加之受限于当时国内测量技术水平,我国一直未能建立极低温区基准级测温装置。

2013年前后,中国科学院理化技术研究所的高波还是一名助理研究员时,曾参与过一项我国极低温区基准级测温技术需求的调研项目,通过那次调研,高波方才意识到,我国在极低温区高精准测温领域与国际先进水平存在着巨大差距,极低温区温度量值溯源受制于人,这深深触动了高波。也就是从这时起,一颗“建立我国极低温区基准级测温装置”的种子深深地埋在了高波的心中。

直到近些年,这一局面被彻底扭转……

中法合作带来转机

2013年,高波赴葡萄牙参加了国际温度大会。会上,她遇见了法国国家计量院的Laurent Pitre教授。高波对基础研究的热情,打动了这位被称为“工作狂”的科学家。Laurent当场邀请高波与他合作开展研究。在国内专家的建议下,高波接受了邀请。

这次邀请成为高波人生的转折点,也让中国极低温区基准级测温技术研究有了与国际接轨的新通道。在Laurent的实验室里,高波出色地搭建了极低温区声学基准测温装置,让Laurent既激动又惊讶;2016年,她又和Laurent钻研琢磨了现有各种方法的利弊,原创了定压气体折射率基准测温法。

2019年,国际单位制发生变革,七个基本物理单位全部改由自然常数定义,其中热力学温度单位开尔文由玻尔兹曼常数重新定义。高波原创的新方法被国际温度咨询委员会官方认可,高波也与法、英、德、意、加等国的温度计量领域专家共同撰写了“新开尔文实施标准”技术文档。

“这个实验可能会失败”

高波知道,如果不能落地建成基准级测温装置并获得实验数据,新方法只能变成躺在论文里的“教条”,无法改变我国在极低温区测温领域的落后局面。

为了建成基于新方法的基准级测温装置,高波开始四处奔波找项目支持。正当她一筹莫展时,中国科学院理化技术研究所时任所长张丽萍和高波的博士导师、中国科学院低温工程学重点实验室主任罗二仓研究员伸出援手,向中国科学院国际合作局汇报了极低温区基准级测温装置建设的重要性及紧迫性。中国科学院国际合作局在充分调研合作重要性的基础上,先行通过“国际伙伴计划” 给予资助。高波马上投入了初步的实验研究,随着研究的推进,高波又获得了科技部、基金委的支持。

实验研究需要团队,在高波组建团队之时,她坦诚地告诉每一位有意向加入团队的人:“这个实验可能会失败,我们最后可能什么都得不到。”

但高波的决心和努力像磁铁一样吸引着与她志同道合的人。在团队组建起来之后,2017年,罗二仓把自己位于理化所廊坊园区的一部分实验室让予高波团队;2018年,中国科学院理化技术研究所和法国国家计量院共建了中-法低温计量科学与技术国际联合实验室。

“我们必须要拼一拼”

正在全力以赴的高波团队很快遇到了新的机会——2020年,国际温度咨询委员会将向全球征集温标数据。“十几年甚至更长才征集一次数据,如果抓住了这个机会,就能为我们国家在这个领域的发展赢得先机赢得主动。我们必须要拼一拼!”忆及此处,高波眼中噙着泪。

对于这支靠“情怀”聚在一起的团队来说,那是“连轴转”的几年,他们把所有时间都扑在了实验上。因为工作忙碌,抵抗力下降,高波的左脸颊上留下了难以抹去的湿疹瘢痕。

终于,2020年,他们成功建立起了新国际单位制下全球首套极低温区基准级测温装置,成功赶在全球温标数据征集的时间节点前交出了“中国答卷”。同年的“国际温度咨询委员会官方报告”上写道,高波团队的测量结果“与现行国际温标相比,不确定度更低,可更快地测量热力学温度”。

如今,看上去身形瘦弱的高波,仍在紧锣密鼓地把事情往前推。

“在低温温度计量领域,我们国家抓住了国际单位制变革的重大发展机遇,具备了先发优势。如今,国家对基础研究的重视和对大科学装置的布局,又将极低温测量技术与国家重大需求紧密地结合在了一起。”高波说。

下一步,他们的目标是迈入更低温区,构建新国际单位制下更低温区的基准级测温装置和测温体系,可服务于我国深空探测等前沿科学研究,可控核聚变等50%以上的大科学工程,液氢等国家零碳能源发展,量子计算、航空航天等重大战略需求,从而为国家建设世界一流水平的科学中心提供支撑。

“国家的需要就是我们努力的目标,担国家责、做国家事,这是科技工作者该有的情怀。”高波说。

中-法低温计量科学与技术国际联合实验室研究团队(中科院理化技术研究所供图)

中-法低温计量科学与技术国际联合实验室常务副主任、中科院理化技术研究所正高级工程师高波(中科院理化技术研究所供图)

5开尔文-24.5开尔文温区定压气体折射率基准级测温装置亮相国家“十三五”科技创新成就展(中科院理化技术研究所供图)

 
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