整機(jī)組裝前，潘庶亨（中）與項(xiàng)目研制團(tuán)隊(duì)中的部分主要成員以及他們創(chuàng)新研發(fā)成果的關(guān)鍵部件——“極低溫強(qiáng)磁場雙軸旋轉(zhuǎn)STM掃描頭”合影留念。受訪者供圖

■本報(bào)記者 倪思潔 葛家諾

在位于北京的中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）實(shí)驗(yàn)樓里，一臺占地十幾平方米的超級科研裝備正悄然運(yùn)轉(zhuǎn)。

試驗(yàn)臺上，金屬管道蜿蜒如血管。實(shí)驗(yàn)臺下的深坑里，液氦在杜瓦中維持著-269℃的低溫，18特斯拉（T）的磁場強(qiáng)度足以將1噸重的鐵塊吸到天花板上。最吸引人的，要數(shù)儀器控制屏幕上掃描著的材料表面晶體結(jié)構(gòu)和一道道起伏的譜線，以原子尺度的精度勾勒出材料中電子態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)。

這是物理所研究員潘庶亨團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）國家重大科研儀器研制項(xiàng)目支持下，耗時(shí)12年研制的“極端條件超高精度實(shí)空間/動量空間原位譜儀”，也是全球首臺將實(shí)空間掃描隧道顯微技術(shù)與動量空間角分辨光電子能譜原位集成的極端條件超高精度科研儀器。

“儀器就像科學(xué)家的眼睛和耳朵。”潘庶亨說。這位古稀之年的科學(xué)家，年輕時(shí)在工廠車間打磨零件，中年時(shí)在歐美頂級實(shí)驗(yàn)室搭建科研設(shè)備，如今帶著團(tuán)隊(duì)闖出了一條中國高端科研儀器的自主創(chuàng)新之路。

從“被拒”到“世界首臺”

潘庶亨畢業(yè)于蘇州大學(xué)物理系，從1984年出國攻讀博士學(xué)位起就一直在研制量子掃描隧道顯微鏡（STM）系統(tǒng)，并用其研發(fā)的先進(jìn)儀器設(shè)備從事基礎(chǔ)科學(xué)的前沿研究工作。他曾在若干世界著名實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)創(chuàng)建了多臺世界領(lǐng)先的超高精度低溫STM系統(tǒng)。2001年，在52歲那年，他被美國休斯敦大學(xué)物理系聘為終身正教授和該校得克薩斯州超導(dǎo)中心冠名正教授。

使用STM觀察微觀原子世界的科學(xué)家們，常常希望在極低溫環(huán)境下同時(shí)給材料施加強(qiáng)磁場環(huán)境，以便觀察材料在極低溫強(qiáng)磁場極端條件下的狀態(tài)變化。然而，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)磁場的矢量磁體方案因結(jié)構(gòu)和材料的限制，至多只能實(shí)現(xiàn)2~3T的旋轉(zhuǎn)磁場，無法滿足科學(xué)家對全方位強(qiáng)磁場的要求。

2008年，潘庶亨萌生出一個(gè)大膽的設(shè)想：可不可以在極低溫強(qiáng)磁場條件下讓STM的掃描頭轉(zhuǎn)起來？也就是說，將傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)磁場”的方案改為“在固定磁場中旋轉(zhuǎn)STM探頭”，以此突破傳統(tǒng)矢量磁體旋轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度的瓶頸。

懷揣著這個(gè)想法，他與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室厄爾·沃德·普拉默（Earl Ward Plummer）教授、時(shí)任美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室主任的杰克·克勞（Jack Crow）教授，以及美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)教授張堅(jiān)地一起組建團(tuán)隊(duì)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法。

然而，當(dāng)他們拿著這個(gè)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案向美國國家科學(xué)基金會申請經(jīng)費(fèi)時(shí)，卻遭到了拒絕。潘庶亨和合作伙伴們的熱情被潑了一盆冷水，他們心有不甘，卻又十分無奈。

2010年，潘庶亨離開休斯敦大學(xué)，來到物理所工作。彼時(shí)，我國正大力推動原創(chuàng)性重大科研儀器研發(fā)。

在國內(nèi)同行專家的鼓勵(lì)下，他心中的火苗重燃起來，并迅速組建團(tuán)隊(duì)，向自然科學(xué)基金委提交了研發(fā)“極端條件超高精度實(shí)空間/動量空間原位譜儀”的申請。

在項(xiàng)目申請書中，他們寫道：“該設(shè)備的建成將使我們能夠開展若干至今不能開展的實(shí)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能材料的原位測量和人工設(shè)計(jì)提供最尖端的實(shí)驗(yàn)平臺，為我國在材料科學(xué)前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破創(chuàng)造機(jī)遇。”

2012年，項(xiàng)目順利獲批。潘庶亨將這個(gè)好消息告訴了曾經(jīng)的合作者Plummer教授，對方發(fā)來郵件說：“潘，祝賀你！我知道你一定能實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法！”

“我們的目標(biāo)是研制世界上首臺極端條件下的超高精度實(shí)空間/動量空間原位測量系統(tǒng)，并率先采取這一尖端實(shí)驗(yàn)手段，在凝聚態(tài)物理和材料科研中捷足先登，以期在低維電子體系、拓?fù)洳牧�、非常�?guī)超導(dǎo)體等研究中發(fā)現(xiàn)新物態(tài)、新現(xiàn)象、新規(guī)律。”潘庶亨說。

造一臺世界頂級的“大玩具”

項(xiàng)目申請下來后的12年里，潘庶亨沉浸在儀器的研制任務(wù)之中，生活變成了由三個(gè)點(diǎn)圍成的“小圈子”——實(shí)驗(yàn)室、食堂，以及離實(shí)驗(yàn)室和食堂都不遠(yuǎn)的家。他的太太看著他樂此不疲地在“小圈子”里生活，開玩笑地抱怨：“你別的事情都不干，整天就知道玩你的‘大玩具’！”雖然嘴上這么說，但她全力支持他這種“生活方式”，承擔(dān)著家庭的各種責(zé)任，并不斷鼓勵(lì)他。

這臺被潘庶亨太太稱為“大玩具”的儀器，由四大子系統(tǒng)構(gòu)成：極低溫強(qiáng)磁場轉(zhuǎn)角掃描隧道顯微譜儀（STM）、極低溫角分辨光電子能譜儀（ARPES）、超高精度氧化物分子束外延系統(tǒng)（OMBE）和氧化物脈沖激光沉積系統(tǒng)（LMBE）。

里面的兩臺譜儀用來檢測材料中電子微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)備。其中，STM是“大玩具”里的核心關(guān)鍵設(shè)備，能在接近絕對零度（-273.15℃）和全方位旋轉(zhuǎn)超強(qiáng)磁場中，以原子級精度“捕捉”材料的微觀幾何構(gòu)型和電子能態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)，甚至能通過旋轉(zhuǎn)探頭多角度觀察磁場對材料的影響。ARPES則能以超高的動量和能量分辨率，測量材料內(nèi)部電子的能量分布和運(yùn)動方向。

另外兩臺設(shè)備是制備精密材料的。它們能夠在原子尺度上實(shí)現(xiàn)材料的可控生長，制造出超薄、超平整的功能薄膜。

四大子系統(tǒng)之間通過能保持低溫環(huán)境的真空管道連接在一起，管道里的機(jī)械手臂可以把制備好的樣品直接送進(jìn)譜儀里，實(shí)現(xiàn)從材料制備到實(shí)時(shí)觀測的“一站式”研究。

作為團(tuán)隊(duì)牽頭人，潘庶亨負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)這一龐大復(fù)雜的科研裝置中各子系統(tǒng)的研發(fā)和對接，同時(shí)主導(dǎo)了STM子系統(tǒng)以及ARPES子系統(tǒng)中極低溫制冷系統(tǒng)和6軸樣品臺的研發(fā)建造。其余兩個(gè)材料制備子系統(tǒng)則由相關(guān)領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)專家主導(dǎo)。

潘庶亨研制“大玩具”的地方，在物理所一樓的實(shí)驗(yàn)室里。儀器一半安裝在地面的抗振動試驗(yàn)臺上，另一半放在4米深的大坑里，坑里是安裝著制冷機(jī)的杜瓦容器和深藏其中、懸掛在制冷機(jī)上的STM探頭。

看著潘庶亨實(shí)驗(yàn)室里的大坑，有同事調(diào)侃他：“老潘，你給自己挖過多少坑？”“無數(shù)個(gè)！”他笑著答。

儀器研制過程中，最有挑戰(zhàn)性的技術(shù)藏在STM探頭里，那也是他給自己挖的最大的“坑”。“用旋轉(zhuǎn)STM探頭代替旋轉(zhuǎn)磁場，屬于原創(chuàng)性方案，在全球沒有先例可借鑒。”他說。

2014年，他帶著團(tuán)隊(duì)先做出一個(gè)可以單軸旋轉(zhuǎn)的STM探頭，在整機(jī)試驗(yàn)成功后，一邊用這臺樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一邊開始放手設(shè)計(jì)制作雙軸旋轉(zhuǎn)樣機(jī)。轉(zhuǎn)軸的增加使探頭內(nèi)部的機(jī)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，看起來并不大的掃描頭中，光是導(dǎo)線就有近百根，稍有不慎就會纏繞折斷或短路。為了避免導(dǎo)線纏繞、斷裂和干擾，他們創(chuàng)新性采用了“電刷引線”方案破解了這個(gè)難題，最終制成國際首例能在極端條件下工作的雙軸旋轉(zhuǎn)掃描探頭——整臺STM的“心臟”。

除了STM探頭，潘庶亨給自己挖的另一個(gè)“大坑”是產(chǎn)生強(qiáng)磁場的超導(dǎo)磁體/杜瓦系統(tǒng)。

超導(dǎo)磁體/杜瓦系統(tǒng)承擔(dān)著為達(dá)到毫開爾文極低溫的稀釋制冷機(jī)提供初級低溫環(huán)境和超導(dǎo)磁體產(chǎn)生18T超強(qiáng)磁場的關(guān)鍵任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他決定帶著團(tuán)隊(duì)與英國一家知名的低溫儀器公司聯(lián)手研制。

盡管潘庶亨和那家英國公司都知道研制的難度很大，但他們?nèi)f萬沒想到，經(jīng)過兩年多的努力，制造出來的樣機(jī)竟沒能達(dá)到指標(biāo)要求。此后，歷經(jīng)一年的優(yōu)化，多次改進(jìn)設(shè)計(jì)，又經(jīng)過一年多時(shí)間，中英團(tuán)隊(duì)才成功研制出世界首臺大口徑、強(qiáng)磁場、低液氦消耗、低振動、超高穩(wěn)定的磁體/杜瓦系統(tǒng)，使各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。而這一突破也吸引了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主克勞斯·馮·克利欽專程到物理所的實(shí)驗(yàn)室參觀。

一臺捕捉科學(xué)發(fā)現(xiàn)的好儀器

歷經(jīng)12年攻關(guān)，儀器項(xiàng)目于2024年6月通過驗(yàn)收，其性能指標(biāo)全面領(lǐng)先國際同類儀器。

在很多人看來，潘庶亨經(jīng)歷了沉寂的12年，幾乎沒有發(fā)表過基礎(chǔ)研究的論文，也很少申請課題和項(xiàng)目。但是，他卻樂在其中。

讀大學(xué)之前，潘庶亨曾在蘇州湖筆廠（后改為紅旗電表廠）工作，從學(xué)徒開始當(dāng)了10年技術(shù)工人，“車工、鉗工、焊工、電工全干過，連電子儀表都自己設(shè)計(jì)制造”。這一經(jīng)歷讓他不僅擅長動手，而且對精密設(shè)備的研發(fā)制造有著近乎直覺的掌控力。

在極端條件超高精度實(shí)空間/動量空間原位譜儀中，很多最基礎(chǔ)的部件都是他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)制造的。為隔絕地面振動，他們從基建工程開始，設(shè)計(jì)建造了隔離地基和隔斷墻體；為降低空氣中的聲波和電磁波干擾，他設(shè)計(jì)建造了專門的屏蔽室，還設(shè)計(jì)出一種可升降的門檻。門檻降下時(shí)，便于運(yùn)輸液氦罐子；升起時(shí)，能夠有效屏蔽噪聲。

回望潛心研制儀器的12年，他感慨：“在國家的大力支持下，我們通過自主摸索以及與國外先進(jìn)技術(shù)的合作研發(fā)，學(xué)到了很多東西，積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)。這些知識和經(jīng)驗(yàn)為我們今后研發(fā)建造相關(guān)的高端儀器裝備打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也使我們建立了足夠的信心，有能力承擔(dān)更艱巨的高端儀器裝備研發(fā)任務(wù)。”

目前，項(xiàng)目驗(yàn)收完不到一年，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用該裝置在鐵基超導(dǎo)體鎵鐵砷材料和超導(dǎo)帶材等研究方向上有所突破。接下來，他們計(jì)劃用這臺設(shè)備在拓?fù)浣^緣材料、低維量子材料、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料、表界面物理和奇異超導(dǎo)機(jī)理等前沿研究方向做更多的探索。

“科學(xué)發(fā)現(xiàn)常始于意外，如今我們已經(jīng)有了一臺捕捉它的好儀器。”潘庶亨說。

《中國科學(xué)報(bào)》：除了用于科學(xué)探索之外，你認(rèn)為高端科研儀器設(shè)備的研制能產(chǎn)生怎樣的社會價(jià)值？

潘庶亨：我認(rèn)為其中很重要的一點(diǎn)是通過人才的培養(yǎng)，把尖端技術(shù)知識輸送到市場中。

我的學(xué)生和博士后都參與了這個(gè)項(xiàng)目。許多學(xué)生畢業(yè)后去了科技類公司。通過參與這一高端科研儀器的研發(fā)，他們都很能干，會電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、制冷機(jī)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，能做各種各樣的事情。很多學(xué)生都成為公司的技術(shù)骨干。

《中國科學(xué)報(bào)》：這臺科研儀器最終耗時(shí)12年。如果回到12年前，你是否還會申請這個(gè)項(xiàng)目？

潘庶亨：雖然耗時(shí)12年，但我并不后悔。這臺儀器不僅對我國尖端實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)水平提高很有意義，也將為中國在非常規(guī)超導(dǎo)體、新型量子材料等領(lǐng)域的原始創(chuàng)新提供先進(jìn)的技術(shù)手段。