天熱扇扇子，天冷穿棉襖。當(dāng)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(qū)的溫度時，很多特殊的物理現(xiàn)象就出現(xiàn)了。比方說，1911年荷蘭物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)狀態(tài)，由此誕生了低溫超導(dǎo)技術(shù)。

極低溫相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，向溫度計量學(xué)者提出了更高的需求——對極低溫區(qū)的溫度進行精確測量。

過去，極低溫區(qū)溫度的高精度測量一直是我國科技發(fā)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(qū)標(biāo)準(zhǔn)溫度計，向全國傳遞溫度量值。

為了保證這些標(biāo)準(zhǔn)溫度計的可靠性，只能將它們送到發(fā)達(dá)國家的基準(zhǔn)實驗室進行校準(zhǔn)，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(qū)標(biāo)準(zhǔn)溫度計無法滿足國內(nèi)極端條件下關(guān)鍵測、控溫傳感器的標(biāo)定需求，后者只能到國外標(biāo)定，或使用國外價格昂貴的標(biāo)定好的溫度計。

極低溫區(qū)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(yīng)用級，例如體溫計和工業(yè)傳感器。中間層級被稱為“標(biāo)準(zhǔn)”溫度計，可以為應(yīng)用級溫度計校準(zhǔn)。最高層級則被稱為“基準(zhǔn)”溫度計，它是具有最高準(zhǔn)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(zhǔn)“標(biāo)準(zhǔn)”溫度計，向外可以輸出數(shù)據(jù)形成國際溫標(biāo)，是國家科技水平和綜合國力的象征之一。

實現(xiàn)極低溫區(qū)精準(zhǔn)測溫，也是中國科學(xué)家一直努力的方向。早在上世紀(jì)80年代初期，毛玉柱、洪朝生等科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和一套低溫數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，其中0.65~24.5561開爾文低溫溫度計量標(biāo)準(zhǔn)獲國家專項計量授權(quán)，向全國開展溫度傳遞服務(wù)。1988年，中科院成立了低溫計量測試站，這是國內(nèi)最早開展極低溫區(qū)溫度測量與標(biāo)定的機構(gòu)。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(dāng)時國內(nèi)測量技術(shù)水平，我國一直未能建立極低溫區(qū)基準(zhǔn)級測溫裝置。

2013年前后，中科院理化技術(shù)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(qū)基準(zhǔn)級測溫技術(shù)需求的調(diào)研項目。通過那次調(diào)研，高波方才意識到，我國在極低溫區(qū)高精準(zhǔn)測溫領(lǐng)域與國際先進水平存在著巨大差距，極低溫區(qū)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(qū)基準(zhǔn)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(zhuǎn)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(chǔ)研究的熱情，打動了這位被稱為“工作狂”的科學(xué)家。Laurent當(dāng)場邀請高波與他合作開展研究。在國內(nèi)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(zhuǎn)折點，也讓中國極低溫區(qū)基準(zhǔn)級測溫技術(shù)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(qū)聲學(xué)基準(zhǔn)測溫裝置，讓Laurent既激動又驚訝;2016年，她又和Laurent分析研究了現(xiàn)有各種方法的利弊，原創(chuàng)了定壓氣體折射率基準(zhǔn)測溫法。

2019年，國際單位制發(fā)生變革，7個基本物理單位全部改由自然常數(shù)定義，其中熱力學(xué)溫度單位開爾文由玻爾茲曼常數(shù)重新定義。高波原創(chuàng)的新方法被國際溫度咨詢委員會官方認(rèn)可，高波也與法、英、德、意、加等國的溫度計量領(lǐng)域?qū)＜夜餐珜懥?ldquo;新開爾文實施標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)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(zhǔn)級測溫裝置并獲得實驗數(shù)據(jù)，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(qū)測溫領(lǐng)域的落后局面。

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

正當(dāng)她一籌莫展時，中科院理化技術(shù)研究所時任所長張麗萍和高波的博士生導(dǎo)師、中科院低溫工程學(xué)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(qū)基準(zhǔn)級測溫裝置建設(shè)的重要性及緊迫性。

中科院國際合作局在充分調(diào)研合作重要性的基礎(chǔ)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(xué)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。”

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(shù)研究所廊坊園區(qū)的一部分實驗室讓予高波團隊;2018年，中科院理化技術(shù)研究所和法國國家計量院共建了中—法低溫計量科學(xué)與技術(shù)國際聯(lián)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(biāo)數(shù)據(jù)。“十幾年甚至更長時間才征集一次數(shù)據(jù)，如果抓住了這個機會，就能為我們國家在這個領(lǐng)域的發(fā)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(zhuǎn)”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(qū)基準(zhǔn)級測溫裝置，趕在全球溫標(biāo)數(shù)據(jù)征集的時間節(jié)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(jié)果“與現(xiàn)行國際溫標(biāo)相比，不確定度更低，可更快地測量熱力學(xué)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(lǐng)域，我們國家抓住了國際單位制變革的重大發(fā)展機遇，具備了先發(fā)優(yōu)勢。如今，國家對基礎(chǔ)研究的重視和對大科學(xué)裝置的布局，又將極低溫測量技術(shù)與國家重大需求緊密地結(jié)合在了一起。”高波說。

高波表示，下一步，他們的目標(biāo)是邁入更低溫區(qū)，構(gòu)建新國際單位制下更低溫區(qū)的基準(zhǔn)級測溫裝置和測溫體系，為國家建設(shè)世界一流水平的科學(xué)中心提供支撐。

“國家的需要就是我們努力的目標(biāo)，心系‘國家事’、肩扛‘國家責(zé)’，這是科技工作者該有的情懷。”高波說。(記者 倪思潔)

關(guān)鍵詞： 極低溫區(qū)溫度 極低溫 開爾文 電阻為零