近年來，高壓物理與超快光譜的結(jié)合開辟了一個新的交叉領域——高壓超快動力學，探索了高壓條件下非平衡態(tài)超快凝聚態(tài)物理的新研究領域。超快泵浦-探測光譜技術因其獨特的超快探測能力，廣泛應用于超快準粒子動力學、電子-聲子耦合、相干玻色子激發(fā)、激光誘導新奇量子態(tài)等費米面以上的非平衡態(tài)內(nèi)稟物性。同時，關聯(lián)量子材料的物性往往在液氦液氮等低溫下才得以體現(xiàn)，例如各類超導相變、多自由度耦合等現(xiàn)象，這需要進一步增加“低溫”的實驗條件。如果能實現(xiàn)在液氦低溫至室溫范圍的高壓超快動力學研究，將進一步拓展高壓超快動力學領域，具有非常重要的意義。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理實驗室SF10i組趙繼民研究團隊與合作者設計并研制了一套可以在液氦低溫條件下工作的在線原位高壓超快光譜實驗裝置，成功實現(xiàn)了上述愿景。該儀器實現(xiàn)了金剛石對頂砧壓腔 (Diamond anvil cell, DAC)高壓、液氦低溫至室溫、飛秒時間分辨的低溫高壓超快光譜實驗條件，在凝聚態(tài)物質(zhì)的激發(fā)態(tài)非平衡態(tài)行為方面具有重要意義，為關聯(lián)量子材料的超快動力學研究開辟了新的領域，對理解眾多復雜材料體系中高壓引起的非平衡態(tài)超快動力學及其相變以及促進高壓超快動力學領域的發(fā)展起到了重要作用。

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低溫在線原位高壓超快泵浦-探測光譜實驗裝置示意圖

該裝置實現(xiàn)了液氦至室溫度范圍內(nèi)在線原位高壓超快光譜測量，樣品在壓力和溫度調(diào)節(jié)過程中保持不動（即“在線原位”技術），確保了數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)性。通過雙氣膜技術克服了變溫引起的壓強漂移，實現(xiàn)了精準的壓強和溫度獨立調(diào)控。該儀器的關鍵創(chuàng)新技術主要包括：雙氣膜控壓技術（the double-membrane gas-tuning high pressure, DMGT）、自主設計研制的兼容DAC的雙光學窗口低溫恒溫器（DAC-compatible home-designed double-windowed cryostat, DAC-cryostat）、Relay lens共聚焦增焦距監(jiān)控系統(tǒng)(Relay lens confocal mapping system, CFM) 等原創(chuàng)技術。為驗證該裝置的工作性能范圍與可靠性，對三種以上不同的量子材料樣品實測了超快動力學數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)表。

相關研究成果近期以“Low-temperature on-site in situ high-pressure ultrafast pump-probe spectroscopy instrument”為題發(fā)表于國際學術期刊《科學儀器評論》【Rev. Sci. Instrum. 96, 013004 (2025)】上，并被《物理》選為2025年第1期封面故事。博士生加孜拉·哈賽恩為該論文的第一作者，趙繼民研究員為通訊作者，周發(fā)然副研究員參與了該工作，合作者EX6組程金光研究員指導的博士生單鵬飛（現(xiàn)為北京高壓科學中心博士后）提供了高壓裝樣技術。該研究受到了科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科學院青年團隊、北京市基金委等的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0233958