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《人民日报》关注华中科技大学青年科学家周敏康:更精微地感知重力

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为了研制量子重力仪,并让它从实验室走向行业应用,华中科技大学引力中心教授周敏康和团队用了整整15年时间。其间,他和团队成员沉潜专注、精益求精。这台仪器让我国在冷原子干涉重力测量方面实现弯道超车,达到国际先进水平。

早上8点半,华中科技大学引力中心教授周敏康准时来到引力中心实验室,换上白色实验衣后,打开电脑开始了一天的工作。他的身旁,一个圆柱形仪器格外引人注目。

“这是我们交付给中国地震局地震研究所的量子重力仪,能达到微伽水平。”见到记者一脸疑惑,周敏康解释道,“‘伽’是重力加速度单位,为纪念意大利科学家伽利略而命名,我们这台仪器能感知到量级的重力加速度,是微伽级的绝对重力仪。”

为了研制这台量子重力仪,并让它从实验室走向行业应用,周敏康和团队用了整整15年时间。作为我国首台为行业部门研制的量子重力仪,这台仪器让我国在冷原子干涉重力测量方面实现弯道超车,达到国际先进水平。

沉潜科研,在山洞里写出第一篇论文

2001年,周敏康来到华中科技大学学习物理学专业。刚进入大学的周敏康,心中并没有特别明确的人生方向。在一堂力学课上,他被教授罗俊所吸引。“罗老师是一个想做事的科学家。”后来,周敏康加入了罗俊和胡忠坤的团队,2004年,他正式进入了华中科技大学引力中心。

引力中心的原子重力仪课题从零起步。一开始,条件简陋,实验室设在华中科技大学喻家山的山洞中,实验室四周全是斑驳的水泥墙,洞里的甬道也都是泥巴路。在导师的带领下,周敏康和同事从“水电工”做起,把山洞里的房间一点点装修成干净的实验室,再跟着前辈们去研究原子重力仪。

到2006年,周敏康和团队正式搭建起原子重力仪的平台,此后,他们的研究每年都能迈一个台阶:2007年能做冷原子实验,2008年可以形成原子喷泉,2009年可以看到原子干涉……实验室在发展,周敏康也在成长,可在引力中心待了6年的周敏康还没有发表一篇研究性论文。

周敏康没日没夜待在山洞里,远离了喧闹,但他却始终坐得住,沉潜科学研究,不感觉辛苦。“我反而觉得很幸运,因为在山洞做实验很安静,震动小,温度也很恒定,很多人还没有我们这个条件呢!”周敏康说,引力中心良好的学术氛围也让他受益匪浅,他不需要担心研究经费的问题,更不需要考虑科研成果考核带来的压力,“我们的研究在国内没有先例可循,哪怕没有论文,也能得到导师和团队的认可。”

2010年,周敏康和团队发明了一种在线测量真空里磁场的方法,“我们测量的原子是在真空管内,但它们还是会受到磁场影响,在不破坏真空管的条件下,我们用原子自身量子态对磁场的敏感性测了磁场,然后改正此前测量到的重力的误差。”凭借此项创新性的实验成果,他才真正发表了第一篇研究性学术论文。 脚踏实地,下决心让成果走向行业应用

2011年博士毕业后,周敏康继续留在引力中心做博士后研究,一年之后,他获得了到法国公派留学机会。当时,法国在原子干涉仪方面的研究已经处于全球顶尖水平,这也开阔了周敏康的视野。2013年,华中科技大学引力中心团队研发了一款超高灵敏度重力仪,分辨率达到当时的国际最好水平,这让他很是振奋。“人家做了几十年了,我们才做十几年就有这样的成果,除了引力中心的氛围外,更是国家几十年来对基础研究大量投入的结果。”

回国后,周敏康和团队研究的量子重力仪仍然停留在实验室阶段。“第一代仪器体积很大,几乎占满了整个房间,经过几代更新之后,一些内部装置逐步被改进,仪器的体积也跟着变小。”周敏康说,要让量子重力仪真正做到方便好用,还需要解决很多细小的问题,“隔震”就是其中之一。

“地球有很多我们察觉不到的微小震动,只有把这些震动隔开,才能更精准地测量到地球的重力加速度。”周敏康和团队计算后发现,要将外界的震动频率降低到1赫兹以下,需要在重力仪里放置1000米长的减震弹簧。

于是,在查阅了大量相关的文献后,周敏康和团队最终研发出了一个超低频的主动隔震装置,“这个装置大小还不到0.5立方米,但是能等效于1000米弹簧所带来的减震效果。”周敏康说,啃下了这块“硬骨头”后,原子重力仪的测量有望适用于山地、市区和郊区等多种环境,原子重力仪走出实验室逐渐成为可能。

在周敏康和团队研发原子重力仪时,我国许多行业测量重力的设备还需从国外进口,“那些设备一台就需要600多万元,维修一次也要几十万元。”周敏康说,从2015年起,他和团队决定将研究重点放在量子重力仪的工程实现上。

锚定目标,提升我国重力测量水平

确定方向后,周敏康和团队不断将量子重力仪小型化,将其中的零部件集成起来,“要达到行业应用,就需要在许多方面与国际水平持平。”经过技术突破,引力中心团队研制的量子重力仪越来越精巧,占地面积也从4平方米缩小到2平方米。

2017年,华中科技大学引力中心团队带着他们最新研制的仪器来北京参展。“当时参展的重力仪来自全球多个国家,原理和大小都不一样,我们的仪器虽然不是最小的,但精度却很高。”周敏康说,正因为高精度的优势,他们被中国地震局地震研究所关注,该所随后就和他们订购了一台量子重力仪。

获得第一个订单后,周敏康和团队的研发动力更足了,“我们自己做研究和交给别人用是两码事,还需对仪器进行更新。”2021年1月,引力中心团队将研制的实用化高精度铷原子绝对重力仪装备成功交付给中国地震局地震研究所,这时的量子重力仪占地面积只有0.6平方米左右。交付后的仪器,除了能进行高精度重力测量,还能应用于水文学、地震学以及探测缝隙、渗坑、隧道和空腔的土木工程项目。“今后我们国家测量绝对重力不需要依赖进口了。”周敏康自豪地说。

研究过程中,周敏康和团队成员也遇到不少困难,“说实话,问题有很多,但是做了这么多年的研究,我们积累了足够的经验和耐心,总能想到解决的办法。”回忆走过的科研道路,周敏康很坦然,“我们引力中心有‘创新、吃苦、团队’的文化,做到了这些,就敢于面对任何困难,也总会收获科研的果实。”

谈到未来,周敏康已有清晰的规划,在致力于量子重力仪实际应用的同时,他想更多回归科研创新与人才培养,“下一步,我们还要在重力测量的精度上实现突破,先从基础原理研究起,再一步一步提升咱们国家在重力测量上的水平,培养更多的专业人才。”

(来源:人民日报)

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