面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

                          ——中國科學院辦院方針

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                          【中國科學報】“極低溫”研究里的熾熱情懷

                          2021-11-19 中國科學報 倪思潔
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                          5開爾文-24.5開爾文溫區定壓氣體折射率基準級測溫裝置亮相國家“十三五”科技創新成就展(中科院理化技術研究所供圖)

                            天熱扇扇子,天冷穿棉襖。當溫度往下降,一直降到比零下248.5939攝氏度(24.5561開爾文)更冷的、被稱為極低溫區的溫度時,很多特殊的物理現象就出現了。比方說,1911年荷蘭物理學家發現,汞在溫度降至4.2開爾文附近時,會突然進入電阻為零的超導狀態,由此誕生了低溫超導技術。

                            極低溫相關技術的廣泛應用,向溫度計量學者提出了更高的需求——對極低溫區的溫度進行精確測量。

                            過去,極低溫區溫度的高精度測量一直是我國科技發展中的難言之隱。在很長一段時間里,我國僅有不到10支瀕臨老化的極低溫區標準溫度計,向全國傳遞溫度量值。

                            為了保證這些標準溫度計的可靠性,只能將它們送到發達國家的基準實驗室進行校準,有時需要排隊等待一兩年甚至更長時間。另一方面,我國這不到10支的極低溫區標準溫度計無法滿足國內極端條件下關鍵測、控溫傳感器的標定需求,后者只能到國外標定,或使用國外價格昂貴的標定好的溫度計。

                            極低溫區溫度量值溯源受制于人

                            按照測量精度由低到高,溫度計量體系可以分為三個層級。最低層級的是應用級,例如體溫計和工業傳感器。中間層級被稱為“標準”溫度計,可以為應用級溫度計校準。最高層級則被稱為“基準”溫度計,它是具有最高準確度的測溫裝置,是溫度量值體系的“源頭”和“基石”,向下可以校準“標準”溫度計,向外可以輸出數據形成國際溫標,是國家科技水平和綜合國力的象征之一。

                            實現極低溫區精準測溫,也是中國科學家一直努力的方向。早在上世紀80年代初期,毛玉柱、洪朝生等科學家就開始了我國最早的低溫溫度計量工作,研制出兩套低溫溫度計量標準設備和一套低溫數據自動采集系統,其中0.65~24.5561開爾文低溫溫度計量標準獲國家專項計量授權,向全國開展溫度傳遞服務。1988年,中科院成立了低溫計量測試站,這是國內最早開展極低溫區溫度測量與標定的機構。由于溫度越低,開展高精度測量的難度就越大,加之受限于當時國內測量技術水平,我國一直未能建立極低溫區基準級測溫裝置。

                            2013年前后,中科院理化技術研究所的高波還是一名助理研究員時,就曾參與過一項我國極低溫區基準級測溫技術需求的調研項目。通過那次調研,高波方才意識到,我國在極低溫區高精準測溫領域與國際先進水平存在著巨大差距,極低溫區溫度量值溯源受制于人。這深深觸動了高波,也就是從這時起,一顆“建立我國極低溫區基準級測溫裝置”的種子深深地埋在了高波的心中。

                            中法合作帶來轉機

                            2013年,高波赴葡萄牙參加了國際溫度大會。會上,她遇見了法國國家計量院的Laurent Pitre教授。高波對基礎研究的熱情,打動了這位被稱為“工作狂”的科學家。Laurent當場邀請高波與他合作開展研究。在國內專家的建議下,高波接受了邀請。

                            這次邀請成為高波人生的轉折點,也讓中國極低溫區基準級測溫技術研究有了與國際接軌的新通道。在Laurent的實驗室里,高波出色地搭建了極低溫區聲學基準測溫裝置,讓Laurent既激動又驚訝;2016年,她又和Laurent分析研究了現有各種方法的利弊,原創了定壓氣體折射率基準測溫法。

                            2019年,國際單位制發生變革,7個基本物理單位全部改由自然常數定義,其中熱力學溫度單位開爾文由玻爾茲曼常數重新定義。高波原創的新方法被國際溫度咨詢委員會官方認可,高波也與法、英、德、意、加等國的溫度計量領域專家共同撰寫了“新開爾文實施標準”技術文檔。

                            “這個實驗可能會失敗”

                            高波知道,如果不能落地建成基準級測溫裝置并獲得實驗數據,新方法只能變成躺在論文里的“教條”,無法改變我國在極低溫區測溫領域的落后局面。

                            為了建成基于新方法的基準級測溫裝置,高波開始四處奔波找項目支持。

                            正當她一籌莫展時,中科院理化技術研究所時任所長張麗萍和高波的博士生導師、中科院低溫工程學重點實驗室主任羅二倉伸出援手,向中科院國際合作局匯報了極低溫區基準級測溫裝置建設的重要性及緊迫性。

                            中科院國際合作局在充分調研合作重要性的基礎上,先行通過“國際伙伴計劃” 給予資助。高波馬上投入了初步的實驗研究,隨著研究的推進,高波又獲得了科技部、國家自然科學基金委的支持。

                            實驗研究需要團隊,在高波組建團隊之時,她坦誠地告訴每一位有意向加入團隊的人:“這個實驗可能會失敗,我們最后可能什么都得不到?!?/p>

                            但高波的決心和努力像磁鐵一樣吸引著與她志同道合的人。在團隊組建起來之后,2017年,羅二倉把自己位于中科院理化技術研究所廊坊園區的一部分實驗室讓予高波團隊;2018年,中科院理化技術研究所和法國國家計量院共建了中—法低溫計量科學與技術國際聯合實驗室。

                            “我們必須要拼一拼”

                            正在全力以赴的高波團隊很快遇到了新的機會——2020年,國際溫度咨詢委員會向全球征集溫標數據?!笆畮啄晟踔粮L時間才征集一次數據,如果抓住了這個機會,就能為我們國家在這個領域的發展贏得先機、贏得主動。我們必須要拼一拼!”憶及此處,高波眼中噙著淚。

                            對于這支靠“情懷”聚在一起的團隊來說,那是“連軸轉”的幾年,他們把所有時間都投入到了實驗上。因為工作忙碌,抵抗力下降,高波的左臉頰上留下了難以抹去的濕疹瘢痕。

                            終于,2020年,他們成功建立起了新國際單位制下全球首套極低溫區基準級測溫裝置,趕在全球溫標數據征集的時間節點前交出了“中國答卷”。同年的“國際溫度咨詢委員會官方報告”上寫道,高波團隊的測量結果“與現行國際溫標相比,不確定度更低,可更快地測量熱力學溫度”。

                            如今,看上去身形瘦弱的高波,仍在緊鑼密鼓地把事情往前推。

                            “在低溫溫度計量領域,我們國家抓住了國際單位制變革的重大發展機遇,具備了先發優勢。如今,國家對基礎研究的重視和對大科學裝置的布局,又將極低溫測量技術與國家重大需求緊密地結合在了一起?!备卟ㄕf。

                            高波表示,下一步,他們的目標是邁入更低溫區,構建新國際單位制下更低溫區的基準級測溫裝置和測溫體系,為國家建設世界一流水平的科學中心提供支撐。

                            “國家的需要就是我們努力的目標,心系‘國家事’、肩扛‘國家責’,這是科技工作者該有的情懷?!备卟ㄕf。

                           ?。ㄔd于《中國科學報》 2021-11-19 第1版 要聞)
                          打印 責任編輯:閻芳

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