Quantum Design International 圣迭戈總部辦公室

    今天，當走進幾乎世界上任何一個涉及到低溫強磁場下物性表征的高端科學研究實驗室，你都有可能看到帶有Quantum Design標識的研究設(shè)備。是的, 通過40年的不懈努力，Quantum Design已經(jīng)把低溫強磁場下的物性表征，從傳統(tǒng)極端條件下復雜、繁冗的專業(yè)化搭建過程，轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖�、全自動的一鍵操作，極大的提升了低溫強磁場下的研究效率，在超導、磁學、半導體、電子、二維材料、化學等各個領(lǐng)域，PPMS綜合物性測量系統(tǒng)和MPMS精密磁學測量系統(tǒng)助力了無數(shù)個重大科學發(fā)現(xiàn)，僅在過去的5年，利用Quantum Design生產(chǎn)的PPMS、MPMS系列產(chǎn)品發(fā)表在Nature，Science正刊的科研工作近百余篇。

    Quantum Design創(chuàng)建于1982年，在過去40年的時間里秉承“By Scientist， for Scientist”的理念，由具備強大技術(shù)背景的科學家組成的研發(fā)團隊，緊跟時代科技發(fā)展需求，致力于解決低溫強磁下科研工作中繁瑣的實驗痛點，并不斷尋求探索前沿的測量技術(shù)，推出各類新型測量功能以滿足多種多樣化的測量需求，精益求精，與時俱進。在過去的40年里，Quantum Design已經(jīng)發(fā)展成為了一個全球跨國企業(yè)。為了加強本地化服務，在多個國家地區(qū)設(shè)立了辦事處和分公司，成為受人尊敬的前沿科學研究領(lǐng)域的高端設(shè)備生產(chǎn)商。站在四十周年的時間點，我們回看公司的創(chuàng)新歷程，心潮澎湃 。

UCSD Brian Maple實驗室DynaCool

普渡大學Will Niel實驗室DynaCool

微軟實驗室使用DynaCool進行量子計算相關(guān)研究

QUANTUM DESIGN的創(chuàng)立與初代MPMS

    回顧超導被發(fā)現(xiàn)以來的百余年歷史，從1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象，到1957年Bardeen, Cooper and Schriefer發(fā)表著名的BCS超導理論，再到1986年Bednorz 和 Muller成功合成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的高溫超導鑭鋇銅氧化合物，以及隨后的銅基、鐵基超導材料的大熱。你或許會感嘆于近幾十年來超導技術(shù)和理論研究的飛速發(fā)展。

    同樣回顧Quantum Design創(chuàng)立至今的40年歷史時，也能隨處看到前沿超導技術(shù)的身影。就如同人們對超導理論的不斷探索，Quantum Design公司從創(chuàng)立至今也從未停下研發(fā)創(chuàng)新的步伐，致力于推動前沿的科學研究工作。

    在上世紀50年代，隨著一代低溫實驗技術(shù)的不斷發(fā)展、超導磁體和利用液氦實現(xiàn)的極低溫實驗裝置逐漸商業(yè)化。1981年-1982年Quantum Design的四位創(chuàng)始人David Cox, Michael Simmonds, Ronald Sager, Barry Lindgren受到斯坦福大學Blas Cabrera的 First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles 工作的啟發(fā)（[1] B. Cabrera, "First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles", Physical Review Letters 48 (20), 1378–1381 (1982). doi:10.1103/PhysRevLett.48.1378.），利用SQUID（基于1973年諾獎成果約瑟夫森效應的超導量子干涉儀）對材料進行超高靈敏度磁性測量的想法逐步成為了現(xiàn)實。四位創(chuàng)始人走到了一起，希望能夠利用SQUID（超導量子干涉儀）技術(shù)研制一款商用的超高靈敏度磁學測量設(shè)備，于是同年4月，Quantum Design公司在加州成立了。

    1984年7月，首套基于SQUID（超導量子干涉儀）技術(shù)的、由Quantum Design自主研發(fā)生產(chǎn)的Magnetic Property Measurement System (MPMS)系統(tǒng)發(fā)往了Iowa State University愛荷華州立大學，也是通過這臺儀器的成功使客戶對新的量子設(shè)計技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

1982年Quantum Design 4位創(chuàng)始人合影

The Founders of Quantum Design circa 1982.

Rear (From Left):  David Cox, Michael Simmonds, Ronald Sager.  Front:  Barry Lindgren.

Mark I--臺Quantum Design 的MPMS系統(tǒng)。使用射頻SQUID控制器的2特斯拉MPMS，用戶界面是在惠普HP-85計算機上用BASIC編寫的。

該系統(tǒng)于1984年7月交付給愛荷華州立大學的羅伯特-謝爾頓教授。

The Mark I – the first Quantum Design MPMS. This 2-Tesla MPMS used an SHE Model 30 SQUID controller and the user interface was written in BASIC on a Hewlett-Packard HP-85 computer.

The system was shipped to Prof. Robert Shelton at Iowa State University in July 1984.

世界首套MPMS的用戶 左：Peter Klavins, 右：Professor Robert Shelton

在銅基高溫超導的研究浪潮下，PPMS應運而生

    1986年，隨著高于30K的超導材料鑭鋇銅氧被發(fā)現(xiàn)后，打破了當時理論預測的極限，1987年March Meeting美國物理學會年會臨時增加了由University of California, San Diego的Brian Maple教授主持“高臨界溫度超導體專門會議”。會議報告從晚上19:30開始，一直講到凌晨3:15，持續(xù)了7小時45分鐘。展現(xiàn)了近50篇高溫超導的相關(guān)研究文獻，其中來自中國科學院物理研究所的趙忠賢老師進行了長達20分鐘的報告，并首次在國際上公布液氮溫區(qū)超導體的元素組成：釔—鋇—銅—氧，成為了銅基超導材料的領(lǐng)軍人物之一，于是越來越多的超導科研工作者投身到高溫超導材料的探索熱潮之中，同時也推動了對超高靈敏度極低溫磁學測量系統(tǒng)的巨大需求，MPMS測量設(shè)備的需求在80年代末90年代初走向了高峰。

    為了滿足低溫強磁場下材料的更多物性表征以及更高磁場的測量需求，90年初，Quantum Design在MPMS系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上開始研發(fā)一款低溫強磁場下多種物性綜合表征的測量系統(tǒng)，也就是后來我們熟知的PPMS系統(tǒng)。

    1994年2月套PPMS系統(tǒng)發(fā)往Purdue University普渡大學，相比當時諸多簡單的低溫磁體系統(tǒng)，PPMS測量系統(tǒng)有著更加優(yōu)異的控溫機制，此后在廣大科研用戶的不斷要求下，Quantum Design在PPMS系統(tǒng)上也開始不斷開發(fā)新的測量功能。

套PPMS綜合物性測量系統(tǒng)系統(tǒng)

An early PPMS system.  This instrument is shown with the sample drive mechanism (on the top of the dewar and probe assembly) that provides the sample motion for the PPMS AC-DC Magnetization (ACMS) measurement option.

把低溫控溫做向極致，CLTC技術(shù)和MPMS XL登場

    1995年前后，低溫強磁場下的研究變得尤為重要，低溫磁體系統(tǒng)和磁學測量相關(guān)的生產(chǎn)廠商如雨后春筍一般涌現(xiàn)，Quantum Design并未停下研發(fā)的腳步，在1996年March Meeting上發(fā)布了首款基于Continuous Low-Temperature Control (CLTC) 持續(xù)低溫控制并集成Reciprocating Sample Option (RSO)往復式磁學測量模式的MPMS -XL系統(tǒng)，將MPMS和PPMS系統(tǒng)的各項功能進一步臻于完善。

帶有新的連續(xù)低溫控制和RSO測量選項的MPMS-XL于1996年3月在APS會議上首次展出。

The MPMS-XL, with the new Continuous Low Temperature Control and Reciprocating Sample Option, was first displayed at the APS meeting in March 1996.

    MPMS XL系統(tǒng)推出后大受市場追捧，極其穩(wěn)定的低溫控溫表現(xiàn)以及超高靈敏度的SQUID器件測量表現(xiàn)，引起了材料物理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在訂單量不斷創(chuàng)新高的同時，Quantum Design也對訂單、品控、生產(chǎn)管理進行了革新，為接下來公司的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

    此外PPMS系統(tǒng)也在根據(jù)用戶以及市場需求不斷擴展其測量功能，推出的比熱測量選件憑借獨特且精密的設(shè)計拿下了1998年的R&D設(shè)計大獎。
 

PPMS上獲得R&D100大獎的比熱測量選件
 

指數(shù)般增長的液氦消耗和實驗成本的擔憂

    步入2000年，大量低溫相關(guān)的儀器設(shè)備不斷涌現(xiàn)，從極低溫制冷到大型磁體系統(tǒng)、醫(yī)用設(shè)備等，液氦消耗量以肉眼可見的速度不斷攀升，而作為一個稀缺不可再生資源，其價格也不斷水漲船高，到2005年短短5年時間，液氦價格就翻了一倍。

    和科學家保持緊密聯(lián)系的Quantum Design從90年代末就意識到了這一點，開始了對PPMS、MPMS兩條產(chǎn)品線的液氦閉循環(huán)設(shè)計研發(fā)，1998年Quantum Design公司成功利用GM制冷機實現(xiàn)了液氦的閉循環(huán)利用，并推出了市面上首款液氦閉循環(huán)的低溫磁體系統(tǒng)MPMS EverCool，并在隨后的2000年推出了PPMS的EverCool解決方案，受到了世界范圍內(nèi)科學家的青睞。
 

集成有EverCool液氦閉循環(huán)組件的MPMS XL系統(tǒng)

集成代EverCool液氦自循環(huán)系統(tǒng)的PPMS

繼續(xù)推進無液氦進程，VersaLab系統(tǒng)小型便捷化解決方案

    隨著越來越多的PPMS系統(tǒng)步入全球前沿實驗團隊，越來越多的課題組和實驗室對集成化低溫磁場測量系統(tǒng)產(chǎn)生了迫切的需求，然而液氦消耗成本卻成了攔路虎。為了解決這一痛點，Quantum Design不斷革新無液氦和液氦閉循環(huán)設(shè)計，并在2007年推出了完全無需液氦的磁場為3特斯拉的多功能振動樣品磁強計VersaLab。整合VSM（振動樣品磁強計）測量和其他物性測量功能，該系統(tǒng)很快成為了諸多工業(yè)客戶、沒有液氦資源的偏遠地區(qū)客戶以及教學用途客戶的，受到了廣泛的關(guān)注。

完全無需液氦的3特斯拉多功能振動樣品磁強計系統(tǒng)VersaLab

小型化智能型氦液化回收系統(tǒng)

    彼時液氦回收系統(tǒng)還停留在大型工業(yè)化車間和專人值守的印象之中，美國大幅減少氦氣出口也導致越來越多的科研團隊面臨液氦難題�？茖W家需要盡可能地將液氦回收利用降低成本，于是一套定位于小型實驗室，最大程度減少占地和盡可能能智能化控制的氦液化回收系統(tǒng)ATL就此誕生。Quantum Design的氦液化回收系統(tǒng)配合單冷頭加壓式高壓液化技術(shù)和集成式設(shè)計的杜瓦，ATL能夠?qū)崿F(xiàn)輕松單冷頭最高25 L/Day的液化效率，160 L的集成式杜瓦能夠方便客戶將回收的液氦輕松推到實驗室的每一個角落進行液氦傳輸。

荷蘭萊頓大學多套ATL液氦回收中心

稀釋制冷機、HE3也可以這么簡單易用

    早在2000年初，你也許很難想象，在1英寸孔徑的樣品腔內(nèi)如何實現(xiàn)超低溫He3測量和稀釋制冷機溫度的測量方案。當時市面上的獨立稀釋制冷機和He3系統(tǒng)設(shè)計都較為龐大，每次升降溫動輒都需要1天甚至好幾天的時間，并且由于高昂的價格成本和使用學習成本，想要實現(xiàn)mK級的測量仿佛只是先進實驗室的特權(quán)。

    科學家們向Quantum Design提出了更高的要求，PPMS是否可以把溫度降到更低？Quantum Design的科學家欣然接受了這挑戰(zhàn)，在1999年和2005年Quantum Design在PPMS僅1英寸孔徑的樣品腔內(nèi)，成功設(shè)計實現(xiàn)了最低0.4K的He3制冷機和50mK的稀釋制冷機。而更驚人的是，兩套系統(tǒng)的總降溫時間分別低于4小時和8小時，這無疑讓當時希望開展超低溫試驗的課題組眼前一亮。

超快變溫及超快掃場加持的MPMS系統(tǒng)的蛻變

    20世紀末MPMS XL已經(jīng)成為了低溫精密磁學測量領(lǐng)域的利刃，其靈敏度和溫控都足以應對大部分客戶的測量需求，但Quantum Design卻并未止步。為了盡可能提升測量效率，2002年Quantum Design開始了革命性的SQUID-VSM研制，也就是第三代MPMS系統(tǒng)（MPMS3）。設(shè)備在研制之初將高穩(wěn)定性VSM振動樣品磁強計的振動馬達作為了測量部分的核心，以精密的磁浮式軸承取代了傳統(tǒng)的電磁馬達設(shè)計，實現(xiàn)了超高穩(wěn)定性超高精度的線性振動控制，也為之后PPMS、MPMS系統(tǒng)的磁學測量功能打下堅實的基礎(chǔ)。此外，全新設(shè)計的MPMS3系統(tǒng)全面改進了系統(tǒng)控溫和磁體設(shè)計，采用氣冷式高均勻度超導磁體，和超快的樣品腔變溫控制。30K/min的降溫速率和700 Oe的快速勵磁性能至今仍鮮有被超越，強大的MPMS3的出現(xiàn)展現(xiàn)了Quantum Design永不滿足技術(shù)現(xiàn)狀的蓬勃進取心！

2008年國內(nèi)首套MPMS3系統(tǒng)安裝在中國科學院物理研究所

十年磨一劍，完全無液氦物性測量系統(tǒng)DynaCool

    從2000年以來，Quantum Design公司一直致力于優(yōu)化設(shè)計極低溫超導磁體測量系統(tǒng)對氦氣以及液氦這種昂貴的不可再生資源依賴，而在此過程中并不因為液氦回收而對系統(tǒng)的性能進行妥協(xié)。經(jīng)過不懈的努力，2011年初推出了全新一代的完全無液氦物性測量系統(tǒng)PPMS-DynaCool，將系統(tǒng)啟動所需的液氦量降低到了1/4瓶氦氣，并且在所有溫控、磁場等關(guān)鍵技術(shù)指標上沒有受到任何影響，反而更加優(yōu)異。

全新一代的完全無液氦物性測量系統(tǒng)PPMS-DynaCool

全球第300套DynaCool系統(tǒng)落戶南方科技大學

印證理論和實驗測量極限，mK溫度下的磁學測量延伸

    在1K以下，不斷接近于絕對零度的過程中電子-聲子散射作用逐漸被抑制，能夠觀察到更多被掩蓋的量子態(tài)，對材料的本征物理特性的研究具有重大意義，同時也拓展了材料研究新的領(lǐng)域。例如非常規(guī)超導體重費米子材料、自旋液體材料等引發(fā)的對BCS超導理論、強關(guān)聯(lián)電子復雜行為、量子阻挫行為的深入探討。然而目前傳統(tǒng)的mK溫度下的測量手段仍然非常有限，在mK溫度的測量對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，微弱的擾動都可能導致溫度的劇烈波動，使得電學輸運的研究手段成為了長久以來“”的選擇。人們也似乎很難將常規(guī)需要在探測線圈中移動樣品才能進行的磁學測量手段與mK極限低溫聯(lián)系起來。2016年Quantum Design公司在極低溫測量領(lǐng)域的開發(fā)仍在不斷延伸，推出了基于PPMS綜合物性測量系統(tǒng)稀釋制冷機的ACDR交流磁化率組件，結(jié)合Quantum Design日本分公司推出的MPMS3 He3極低溫選件，成功實現(xiàn)了mK溫度區(qū)間的直流磁學和交流磁學的測量功能。

基于PPMS綜合物性測量系統(tǒng)稀釋制冷機的ACDR交流磁化率組件

集成He3極低溫磁學測量功能的全新一代磁學測量系統(tǒng)-MPMS3

面向未來，超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺——OptiCool

    近年來量子信息與量子材料研究方興未艾。在測量手段上以低溫強磁場顯微光譜和超快泵浦測量的快速發(fā)展為代表。新的測量手段無論是在尺度分辨和時間分辨上都更進一步，讓科學家們可以更加深入的研究物理機理，加快了研究到應用的轉(zhuǎn)化。

    傳統(tǒng)的低溫磁場系統(tǒng)在光學測量方面存在諸多限制，例如工作距離長，振動較大、受困與設(shè)計的實驗不便等。Quantum Design基于多年低溫強磁場測量平臺設(shè)計經(jīng)驗，開發(fā)了開創(chuàng)性的基于自由光路的強磁場低溫光學研究平臺——OptiCool。OptiCool設(shè)備是一款基于全新設(shè)計理念，面向未來的強磁場低溫光學研究平臺，極大方便了低溫強磁場下的光學相關(guān)研究實驗。該系統(tǒng)一經(jīng)推出就獲得了科研界的廣泛好評，獲得了2018年R&D100創(chuàng)新設(shè)計大獎。OptiCool具有多光學窗口、近工作距離、大磁場均勻區(qū)、超低振動、超高溫度穩(wěn)定性等諸多特點。系統(tǒng)還可以集成位移器、物鏡、高壓腔、多種電學通道等拓展選件。三年多時間全球已安裝數(shù)十臺，已幫助部分用戶取得了優(yōu)異的科研成果，未來該系統(tǒng)必將在量子材料和量子信息研究領(lǐng)域繼續(xù)幫助科學家大放光彩!

超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺——OptiCool

國內(nèi)首套超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺OptiCool落戶清華大學！

科研利器助力中國科技 鐵基超導研究大放異彩

    2004年Quantum Design中國子公司成立，設(shè)立了專業(yè)的售后服務和應用中心，為國內(nèi)幾百家的科研用戶單位提供服務，這些系統(tǒng)在中國科學家的研究工作中發(fā)揮了重要的作用，在這些碩果累累的科研進展中，受到廣泛關(guān)注的是鐵基超導體的重大突破。

    作為宏觀量子現(xiàn)象的超導電性具有重要的基礎(chǔ)科學研究價值和巨大的應用前景，探索新的高臨界溫度超導體是各國科學家長期以來追求的目標。在銅氧化物高溫超導體突破了麥克米蘭極限溫度以后，全世界科學家對超導材料的探索一度陷入迷茫，國際上的相關(guān)研究進入低谷，2008年，中科院物理研究所趙忠賢院士（Quantum Design產(chǎn)品在中國的個用戶）引領(lǐng)的中國科研團隊在鐵基超導材料領(lǐng)域取得了系列重大突破，再次掀起了超導領(lǐng)域的熱潮。鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)是繼銅氧化物高溫超導體之后尤為重要的進展，以趙忠賢院士為代表的中國科學家基于長期積累做出了大量原創(chuàng)性的工作，取得了突破性進展。贏得了國際學術(shù)界的廣泛認可，引領(lǐng)和推動了鐵基超導及相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

趙忠賢院士團隊（圖片來源 新華網(wǎng)）

Quantum Design中國應用中心實驗室

科技永不停步，創(chuàng)新未有窮期

    基礎(chǔ)科學是人類科技能夠快速發(fā)展的基礎(chǔ)，雖然近百年來，我們可以看到科技的日新月異，但人類的基礎(chǔ)科學其實已經(jīng)有百年未有重大突破了。強磁場、極低溫等極端實驗條件由于能觀測到常規(guī)條件不能觀測到的實驗現(xiàn)象而受到科學研究工作者的關(guān)注，利用低溫強磁場可以對物質(zhì)進行調(diào)控，因而低溫強磁場下的物性表征能發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、揭示新規(guī)律，為多學科的交叉研究提供新機遇，必將進一步推動中國以及世界前沿基礎(chǔ)科學探索。

    Quantum Design在過去的40年憑借不斷追求技術(shù)創(chuàng)新和滿足客戶最大需求的專業(yè)精神，成為低溫強磁場下物性測量的，現(xiàn)在，Quantum Design正助力全球3000多高端實驗室的科學用戶，在低溫強磁場下展開科學探索：平均每一天，就會有多篇知名期刊報道Quantum Design用戶在低溫強磁場下的研究工作，揭示最新的科研進展；平均每兩天，就會有一臺Quantum Design全新的低溫強磁場設(shè)備運到世界各地的高端實驗室，助力科學家的基礎(chǔ)研究。

    “科技永不停步，創(chuàng)新未有窮期”，站在四十周年的時間點回眸的一瞬間，Quantum Design的科學家已經(jīng)踏上了新的開發(fā)探索征程，“萬阻重山路漫漫  千里一騎已絕塵”， 讓我們一起期待Quantum Design即將奏響的下一個創(chuàng)新旋律！

創(chuàng)始人Michael Simmonds博士因為卓越的貢獻受到世界電氣與電子工程師學會（IEEE）的表彰