在位于北京的中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）實驗樓里，一臺占地十幾平方米的超級科研裝備正悄然運轉。
試驗臺上，金屬管道蜿蜒如血管。實驗臺下的深坑里，液氦在杜瓦中維持著-269℃的低溫，18特斯拉（T）的磁場強度足以將1噸重的鐵塊吸到天花板上。最吸引人的，要數儀器控制屏幕上掃描著的材料表面晶體結構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的微觀結構。
這是物理所研究員潘庶亨團隊在國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）國家重大科研儀器研制項目支持下，耗時12年研制的“極端條件超高精度實空間/動量空間原位譜儀”，也是全球首臺將實空間掃描隧道顯微技術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。
“儀器就像科學家的眼睛和耳朵。”潘庶亨說。這位古稀之年的科學家，年輕時在工廠車間打磨零件，中年時在歐美頂級實驗室搭建科研設備，如今帶著團隊闖出了一條中國高端科研儀器的自主創新之路。
整機組裝前，潘庶亨（中）與項目研制團隊中的部分主要成員以及他們創新研發成果的關鍵部件——“極低溫強磁場雙軸旋轉STM掃描頭”合影留念。受訪者供圖
從“被拒”到“世界首臺”
潘庶亨畢業于蘇州大學物理系，從1984年出國攻讀博士學位起就一直在研制量子掃描隧道顯微鏡（STM）系統，并用其研發的先進儀器設備從事基礎科學的前沿研究工作。他曾在若干世界著名實驗室中研發創建了多臺世界領先的超高精度低溫STM系統。2001年，在52歲那年，他被美國休斯敦大學物理系聘為終身正教授和該校得克薩斯州超導中心冠名正教授。
使用STM觀察微觀原子世界的科學家們，常常希望在極低溫環境下同時給材料施加強磁場環境，以便觀察材料在極低溫強磁場極端條件下的狀態變化。然而，傳統旋轉磁場的矢量磁體方案因結構和材料的限制，至多只能實現2~3T的旋轉磁場，無法滿足科學家對全方位強磁場的要求。
2008年，潘庶亨萌生出一個大膽的設想：可不可以在極低溫強磁場條件下讓STM的掃描頭轉起來？也就是說，將傳統的“旋轉磁場”的方案改為“在固定磁場中旋轉STM探頭”，以此突破傳統矢量磁體旋轉磁場強度的瓶頸。
懷揣著這個想法，他與美國橡樹嶺國家實驗室厄爾·沃德·普拉默（Earl Ward Plummer）教授、時任美國國家強磁場實驗室主任的杰克·克勞（Jack Crow）教授，以及美國佛羅里達國際大學教授張堅地一起組建團隊來實現這個想法。
然而，當他們拿著這個創新的設計方案向美國國家科學基金會申請經費時，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，來到物理所工作。彼時，我國正大力推動原創性重大科研儀器研發。
在國內同行專家的鼓勵下，他心中的火苗重燃起來，并迅速組建團隊，向自然科學基金委提交了研發“極端條件超高精度實空間/動量空間原位譜儀”的申請。
在項目申請書中，他們寫道：“該設備的建成將使我們能夠開展若干至今不能開展的實驗，為實現復雜功能材料的原位測量和人工設計提供最尖端的實驗平臺，為我國在材料科學前沿領域實現新的突破創造機遇。”
2012年，項目順利獲批。潘庶亨將這個好消息告訴了曾經的合作者Plummer教授，對方發來郵件說：“潘，祝賀你！我知道你一定能實現這個想法！”
“我們的目標是研制世界上首臺極端條件下的超高精度實空間/動量空間原位測量系統，并率先采取這一尖端實驗手段，在凝聚態物理和材料科研中捷足先登，以期在低維電子體系、拓撲材料、非常規超導體等研究中發現新物態、新現象、新規律。”潘庶亨說。
造一臺世界頂級的“大玩具”
項目申請下來后的12年里，潘庶亨沉浸在儀器的研制任務之中，生活變成了由三個點圍成的“小圈子”——實驗室、食堂，以及離實驗室和食堂都不遠的家。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”，承擔著家庭的各種責任，并不斷鼓勵他。
這臺被潘庶亨太太稱為“大玩具”的儀器，由四大子系統構成：極低溫強磁場轉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（OMBE）和氧化物脈沖激光沉積系統（LMBE）。
里面的兩臺譜儀用來檢測材料中電子微觀結構的設備。其中，STM是“大玩具”里的核心關鍵設備，能在接近絕對零度（-273.15℃）和全方位旋轉超強磁場中，以原子級精度“捕捉”材料的微觀幾何構型和電子能態的微觀結構，甚至能通過旋轉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，測量材料內部電子的能量分布和運動方向。
另外兩臺設備是制備精密材料的。它們能夠在原子尺度上實現材料的可控生長，制造出超薄、超平整的功能薄膜。
四大子系統之間通過能保持低溫環境的真空管道連接在一起，管道里的機械手臂可以把制備好的樣品直接送進譜儀里，實現從材料制備到實時觀測的“一站式”研究。
作為團隊牽頭人，潘庶亨負責協調這一龐大復雜的科研裝置中各子系統的研發和對接，同時主導了STM子系統以及ARPES子系統中極低溫制冷系統和6軸樣品臺的研發建造。其余兩個材料制備子系統則由相關領域的團隊專家主導。
潘庶亨研制“大玩具”的地方，在物理所一樓的實驗室里。儀器一半安裝在地面的抗振動試驗臺上，另一半放在4米深的大坑里，坑里是安裝著制冷機的杜瓦容器和深藏其中、懸掛在制冷機上的STM探頭。
看著潘庶亨實驗室里的大坑，有同事調侃他：“老潘，你給自己挖過多少坑？”“無數個！”他笑著答。
儀器研制過程中，最有挑戰性的技術藏在STM探頭里，那也是他給自己挖的最大的“坑”。“用旋轉STM探頭代替旋轉磁場，屬于原創性方案，在全球沒有先例可借鑒。”他說。
2014年，他帶著團隊先做出一個可以單軸旋轉的STM探頭，在整機試驗成功后，一邊用這臺樣機進行實驗，一邊開始放手設計制作雙軸旋轉樣機。轉軸的增加使探頭內部的機構越發復雜，看起來并不大的掃描頭中，光是導線就有近百根，稍有不慎就會纏繞折斷或短路。為了避免導線纏繞、斷裂和干擾，他們創新性采用了“電刷引線”方案破解了這個難題，最終制成國際首例能在極端條件下工作的雙軸旋轉掃描探頭——整臺STM的“心臟”。
除了STM探頭，潘庶亨給自己挖的另一個“大坑”是產生強磁場的超導磁體/杜瓦系統。
超導磁體/杜瓦系統承擔著為達到毫開爾文極低溫的稀釋制冷機提供初級低溫環境和超導磁體產生18T超強磁場的關鍵任務。為實現這一目標，他決定帶著團隊與英國一家知名的低溫儀器公司聯手研制。
盡管潘庶亨和那家英國公司都知道研制的難度很大，但他們萬萬沒想到，經過兩年多的努力，制造出來的樣機竟沒能達到指標要求。此后，歷經一年的優化，多次改進設計，又經過一年多時間，中英團隊才成功研制出世界首臺大口徑、強磁場、低液氦消耗、低振動、超高穩定的磁體/杜瓦系統，使各項指標達到國際領先水平。而這一突破也吸引了諾貝爾物理學獎得主克勞斯·馮·克利欽專程到物理所的實驗室參觀。
一臺捕捉科學發現的好儀器
歷經12年攻關，儀器項目于2024年6月通過驗收，其性能指標全面領先國際同類儀器。
在很多人看來，潘庶亨經歷了沉寂的12年，幾乎沒有發表過基礎研究的論文，也很少申請課題和項目。但是，他卻樂在其中。
讀大學之前，潘庶亨曾在蘇州湖筆廠（后改為紅旗電表廠）工作，從學徒開始當了10年技術工人，“車工、鉗工、焊工、電工全干過，連電子儀表都自己設計制造”。這一經歷讓他不僅擅長動手，而且對精密設備的研發制造有著近乎直覺的掌控力。
在極端條件超高精度實空間/動量空間原位譜儀中，很多最基礎的部件都是他帶領團隊自行設計制造的。為隔絕地面振動，他們從基建工程開始，設計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，他設計建造了專門的屏蔽室，還設計出一種可升降的門檻。門檻降下時，便于運輸液氦罐子；升起時，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技術的合作研發，學到了很多東西，積累了大量的寶貴經驗。這些知識和經驗為我們今后研發建造相關的高端儀器裝備打下了堅實的基礎，也使我們建立了足夠的信心，有能力承擔更艱巨的高端儀器裝備研發任務。”
目前，項目驗收完不到一年，他的團隊已經利用該裝置在鐵基超導體鎵鐵砷材料和超導帶材等研究方向上有所突破。接下來，他們計劃用這臺設備在拓撲絕緣材料、低維量子材料、強關聯電子材料、表界面物理和奇異超導機理等前沿研究方向做更多的探索。
“科學發現常始于意外，如今我們已經有了一臺捕捉它的好儀器。”潘庶亨說。
《中國科學報》：除了用于科學探索之外，你認為高端科研儀器設備的研制能產生怎樣的社會價值？
潘庶亨：我認為其中很重要的一點是通過人才的培養，把尖端技術知識輸送到市場中。
我的學生和博士后都參與了這個項目。許多學生畢業后去了科技類公司。通過參與這一高端科研儀器的研發，他們都很能干，會電子設計、機械設計、制冷機設計、軟件設計，能做各種各樣的事情。很多學生都成為公司的技術骨干。
《中國科學報》：這臺科研儀器最終耗時12年。如果回到12年前，你是否還會申請這個項目？
潘庶亨：雖然耗時12年，但我并不后悔。這臺儀器不僅對我國尖端實驗設備的研發水平提高很有意義，也將為中國在非常規超導體、新型量子材料等領域的原始創新提供先進的技術手段。
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