近年來(lái)，高壓物理與超快光譜的結(jié)合開(kāi)辟了一個(gè)新的交叉領(lǐng)域——高壓超快動(dòng)力學(xué)，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(lǐng)域。超快泵浦-探測(cè)光譜技術(shù)因其獨(dú)特的超快探測(cè)能力，廣泛應(yīng)用于超快準(zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)、電子-聲子耦合、相干玻色子激發(fā)、激光誘導(dǎo)新奇量子態(tài)等費(fèi)米面以上的非平衡態(tài)內(nèi)稟物性。同時(shí)，關(guān)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(dǎo)相變、多自由度耦合等現(xiàn)象，這需要進(jìn)一步增加“低溫”的實(shí)驗(yàn)條件。如果能實(shí)現(xiàn)在液氦低溫至室溫范圍的高壓超快動(dòng)力學(xué)研究，將進(jìn)一步拓展高壓超快動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，具有非常重要的意義。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理實(shí)驗(yàn)室SF10i組趙繼民研究團(tuán)隊(duì)與合作者設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)裝置，成功實(shí)現(xiàn)了上述愿景。該儀器實(shí)現(xiàn)了金剛石對(duì)頂砧壓腔 (Diamond anvil cell, DAC)高壓、液氦低溫至室溫、飛秒時(shí)間分辨的低溫高壓超快光譜實(shí)驗(yàn)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(guān)聯(lián)量子材料的超快動(dòng)力學(xué)研究開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，對(duì)理解眾多復(fù)雜材料體系中高壓引起的非平衡態(tài)超快動(dòng)力學(xué)及其相變以及促進(jìn)高壓超快動(dòng)力學(xué)領(lǐng)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(cè)光譜實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

該裝置實(shí)現(xiàn)了液氦至室溫度范圍內(nèi)在線原位高壓超快光譜測(cè)量，樣品在壓力和溫度調(diào)節(jié)過(guò)程中保持不動(dòng)（即“在線原位”技術(shù)），確保了數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)性。通過(guò)雙氣膜技術(shù)克服了變溫引起的壓強(qiáng)漂移，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的壓強(qiáng)和溫度獨(dú)立調(diào)控。該儀器的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)主要包括：雙氣膜控壓技術(shù)（the double-membrane gas-tuning high pressure, DMGT）、自主設(shè)計(jì)研制的兼容DAC的雙光學(xué)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(shù)。為驗(yàn)證該裝置的工作性能范圍與可靠性，對(duì)三種以上不同的量子材料樣品實(shí)測(cè)了超快動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)表。

相關(guān)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)儀器評(píng)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(dǎo)的博士生單鵬飛（現(xiàn)為北京高壓科學(xué)中心博士后）提供了高壓裝樣技術(shù)。該研究受到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年團(tuán)隊(duì)、北京市基金委等的資助。

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