低温在线原位高压超快光谱实验装置

近年来，高压物理与超快光谱的结合开辟了一个新的交叉领域——高压超快动力学，探索了高压条件下非平衡态超快凝聚态物理的新研究领域。超快泵浦-探测光谱技术因其独特的超快探测能力，广泛应用于超快准粒子动力学、电子-声子耦合、相干玻色子激发、激光诱导新奇量子态等费米面以上的非平衡态内禀物性。同时，关联量子材料的物性往往在液氦液氮等低温下才得以体现，例如各类超导相变、多自由度耦合等现象，这需要进一步增加“低温”的实验条件。如果能实现在液氦低温至室温范围的高压超快动力学研究，将进一步拓展高压超快动力学领域，具有非常重要的意义。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理实验室SF10i组赵继民研究团队与合作者设计并研制了一套可以在液氦低温条件下工作的在线原位高压超快光谱实验装置，成功实现了上述愿景。该仪器实现了金刚石对顶砧压腔 (Diamond anvil cell, DAC)高压、液氦低温至室温、飞秒时间分辨的低温高压超快光谱实验条件，在凝聚态物质的激发态非平衡态行为方面具有重要意义，为关联量子材料的超快动力学研究开辟了新的领域，对理解众多复杂材料体系中高压引起的非平衡态超快动力学及其相变以及促进高压超快动力学领域的发展起到了重要作用。

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低温在线原位高压超快泵浦-探测光谱实验装置示意图

该装置实现了液氦至室温度范围内在线原位高压超快光谱测量，样品在压力和温度调节过程中保持不动（即“在线原位”技术），确保了数据的可靠性和系统性。通过双气膜技术克服了变温引起的压强漂移，实现了精准的压强和温度独立调控。该仪器的关键创新技术主要包括：双气膜控压技术（the double-membrane gas-tuning high pressure, DMGT）、自主设计研制的兼容DAC的双光学窗口低温恒温器（DAC-compatible home-designed double-windowed cryostat, DAC-cryostat）、Relay lens共聚焦增焦距监控系统(Relay lens confocal mapping system, CFM) 等原创技术。为验证该装置的工作性能范围与可靠性，对三种以上不同的量子材料样品实测了超快动力学数据，部分数据已经发表。

相关研究成果近期以“Low-temperature on-site in situ high-pressure ultrafast pump-probe spectroscopy instrument”为题发表于国际学术期刊《科学仪器评论》【Rev. Sci. Instrum. 96, 013004 (2025)】上，并被《物理》选为2025年第1期封面故事。博士生加孜拉·哈赛恩为该论文的第一作者，赵继民研究员为通讯作者，周发然副研究员参与了该工作，合作者EX6组程金光研究员指导的博士生单鹏飞（现为北京高压科学中心博士后）提供了高压装样技术。该研究受到了科技部国家重点研发计划、中国科学院青年团队、北京市基金委等的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0233958