【祝贺！这里能建世界最棒的天文台】中国科学家在北半球、大西洋东岸找到了一处国际一流的天文台台址，这将是世界天文学家和粒子物理学家的“福音”。8月18日，《自然》在线刊发了中国科学院国家天文台创新团组首席研究员邓李才团队的最新发现——青藏高原上的“冷湖”，有一个高质量的天文观测点，这里足以安装和运行下一代任何口径的望远镜。https://t.cn/A6IoiaQf
图：2020年冬季赛什腾山的雪后夕阳，天文台笼罩在落日余晖中。邓李才供图
踏入“无人区”在海拔4200米选址
“Congratulation（祝贺）！”在收到这篇论文时，《自然》的编辑和两位审稿人十分兴奋，不约而同地表达了他们的欣喜。
论文通讯作者邓李才告诉《中国科学报》，光学和红外观测台址是极其宝贵的战略性稀缺资源，目前国际公认的最佳台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫纳克亚峰及南极内陆冰穹地区。
因拥有大面积极佳观测台址，智利将发展天文作为国策大力推动，目前全世界68%的地基光学/红外、高频射电天文观测设施都坐落在智利，其在前沿研究、尖端技术、社会经济等方面获得巨大的发展机遇和空间。
我国天文界长期高度重视光学天文选址工作，上世纪九十年代开始，就在我国西部地区部署选址工作。
在天文学家的眼中，青藏高原具有特殊的意义。邓李才说，任何地基的天文观测都需要透过地球大气获取数据，越高的地方大气越稀薄，因此，高海拔是地基天文观测有利的基础要素。
青藏高原上有个“无人区”冷湖，它位于青海省海西蒙古族藏族自治州。2017年开始，邓李才团队利用在青海执行科研项目的机会，与谋求转型发展的当地政府密切合作，在海西州西部“无人区”开始台址搜寻工作。
冷湖地区日照丰沛、降水极低、夜空晴朗，历史记录的天气条件非常良好。通过对冷湖赛什腾山区的实地考察，研究团队依据沙尘垂向呈指数分布的特性，确定在山区4200米海拔标高点（赛什腾C区）进行定点选址。
3年连续监测结果令人惊喜
2018年1月16日，选址团队正式对该地域的晴夜数量、晴夜背景亮度和气象进行连续监测。当年5月起，团队在海西州政府支持下通过直升机吊运，于赛什腾山4200米标高监测点初步建成基础设施。
邓李才回忆说，当时，山区尚无道路可以通达监测地，选址团队以人力背负各种仪器设施，穿越崇山峻岭，克服重重困难，经历生死考验，建成了所有关键台址参数的测量平台并开始运行。为保障参数测量的连续性，团队人员数十次冒险攀登，对设备进行升级和维护。
终于，在全体成员的努力下，团队获得了关于赛什腾山台址区域的各种参数，包括气象、天光背景、晴夜数量和天文大气总视宁度等所有参数的95%连续覆盖率，获得了对赛什腾山光学、红外观测条件的结论性数据。为避免各种非科学因素对大型天文观测设施选址产生干扰，保证数据的可靠性和公正性，所有的原始数据在整个选址过程中实时公开。
不过，邓李才坦承，冷湖选址唯一一个令人担忧的问题是“沙尘”。
“这里是雅丹地貌，靠近塔克拉玛干沙漠，沙尘沙暴天气较为严重。”为此，邓李才团队购置了粉尘仪，对赛什腾山C区台址的颗粒物和气溶胶进行了长期监测，结果令人鼓舞。
“可喜的是，沙尘是随高程呈指数下降分布的，对于海拔4200米的赛什腾山，沙尘天气可以‘忽略’。”邓李才说，“至少柴达木地区内肆虐的风沙对4000米以上的地区没有影响，此外，冷湖的PM10指数通常只有个位数。”
2020年底，主要台址数据监测已达3年。选址团队的统计分析显示，冷湖台址的视宁度中值为0.75角秒。这个参数与国际最佳台址同期数据大致相同，全面优于其他台址。这些结果令邓李才十分惊喜。
同时，在红外观测条件上，对“物质起源”和“生命起源”等极端科学目标而言，最重要的台址指标是可沉降水汽，冷湖赛什腾台址是所有国际一流台址中最为优越的。按可观测时间和视宁度进行综合量化分析，赛什腾山的指标优于青藏高原其他选址点，与夏威夷莫纳克亚峰和智利各天文台相比，基本持平。
一流台址打破天文发展瓶颈
冷湖国际一流台址的发现，打破了长期制约我国光学天文观测发展的瓶颈，为我国光学天文发展创造了重大机遇。
国际同行之所以兴奋，在于冷湖所在的地理经度区域，尚属世界大型光学望远镜的空白区，而天文观测常常需要时域、空域的接力观测。因此，这也是国际光学天文发展的宝贵资源。
2020年12月19日，西华师范大学与中国科学院国家天文台合作的50厘米双筒望远镜（50BiN）已率先开始工作，第一幅科学图像上恒星的半高全宽为0.68角秒。
如今，冷湖镇正在建设世界级天文研究中心，发展“天文+科普+旅游”新模式，在这个过程中，邓李才等中国科学家发挥了重要的推动作用。
接下来，中国科学院将与青海省政府合作，一方面，尽快对台址资源进行保护，避免灯光、粉尘、震动等的影响；另一方面，统一规划和布局未来重大观测设施的建设。同时，力促冷湖天文台址的国际合作和开放，吸引国际领先的观测设施落户，使之成为国际光学天文研究的重要基地，使冷湖成为人类探索宇宙奥秘、培育原创性科学成果的重要策源地。https://t.cn/A6Io9D8t
图：2020年冬季赛什腾山的雪后夕阳，天文台笼罩在落日余晖中。邓李才供图
踏入“无人区”在海拔4200米选址
“Congratulation（祝贺）！”在收到这篇论文时，《自然》的编辑和两位审稿人十分兴奋，不约而同地表达了他们的欣喜。
论文通讯作者邓李才告诉《中国科学报》，光学和红外观测台址是极其宝贵的战略性稀缺资源，目前国际公认的最佳台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫纳克亚峰及南极内陆冰穹地区。
因拥有大面积极佳观测台址，智利将发展天文作为国策大力推动，目前全世界68%的地基光学/红外、高频射电天文观测设施都坐落在智利，其在前沿研究、尖端技术、社会经济等方面获得巨大的发展机遇和空间。
我国天文界长期高度重视光学天文选址工作，上世纪九十年代开始，就在我国西部地区部署选址工作。
在天文学家的眼中，青藏高原具有特殊的意义。邓李才说，任何地基的天文观测都需要透过地球大气获取数据，越高的地方大气越稀薄，因此，高海拔是地基天文观测有利的基础要素。
青藏高原上有个“无人区”冷湖，它位于青海省海西蒙古族藏族自治州。2017年开始，邓李才团队利用在青海执行科研项目的机会，与谋求转型发展的当地政府密切合作，在海西州西部“无人区”开始台址搜寻工作。
冷湖地区日照丰沛、降水极低、夜空晴朗，历史记录的天气条件非常良好。通过对冷湖赛什腾山区的实地考察，研究团队依据沙尘垂向呈指数分布的特性，确定在山区4200米海拔标高点（赛什腾C区）进行定点选址。
3年连续监测结果令人惊喜
2018年1月16日，选址团队正式对该地域的晴夜数量、晴夜背景亮度和气象进行连续监测。当年5月起，团队在海西州政府支持下通过直升机吊运，于赛什腾山4200米标高监测点初步建成基础设施。
邓李才回忆说，当时，山区尚无道路可以通达监测地，选址团队以人力背负各种仪器设施，穿越崇山峻岭，克服重重困难，经历生死考验，建成了所有关键台址参数的测量平台并开始运行。为保障参数测量的连续性，团队人员数十次冒险攀登，对设备进行升级和维护。
终于，在全体成员的努力下，团队获得了关于赛什腾山台址区域的各种参数，包括气象、天光背景、晴夜数量和天文大气总视宁度等所有参数的95%连续覆盖率，获得了对赛什腾山光学、红外观测条件的结论性数据。为避免各种非科学因素对大型天文观测设施选址产生干扰，保证数据的可靠性和公正性，所有的原始数据在整个选址过程中实时公开。
不过，邓李才坦承，冷湖选址唯一一个令人担忧的问题是“沙尘”。
“这里是雅丹地貌，靠近塔克拉玛干沙漠，沙尘沙暴天气较为严重。”为此，邓李才团队购置了粉尘仪，对赛什腾山C区台址的颗粒物和气溶胶进行了长期监测，结果令人鼓舞。
“可喜的是，沙尘是随高程呈指数下降分布的，对于海拔4200米的赛什腾山，沙尘天气可以‘忽略’。”邓李才说，“至少柴达木地区内肆虐的风沙对4000米以上的地区没有影响，此外，冷湖的PM10指数通常只有个位数。”
2020年底，主要台址数据监测已达3年。选址团队的统计分析显示，冷湖台址的视宁度中值为0.75角秒。这个参数与国际最佳台址同期数据大致相同，全面优于其他台址。这些结果令邓李才十分惊喜。
同时，在红外观测条件上，对“物质起源”和“生命起源”等极端科学目标而言，最重要的台址指标是可沉降水汽，冷湖赛什腾台址是所有国际一流台址中最为优越的。按可观测时间和视宁度进行综合量化分析，赛什腾山的指标优于青藏高原其他选址点，与夏威夷莫纳克亚峰和智利各天文台相比，基本持平。
一流台址打破天文发展瓶颈
冷湖国际一流台址的发现，打破了长期制约我国光学天文观测发展的瓶颈，为我国光学天文发展创造了重大机遇。
国际同行之所以兴奋，在于冷湖所在的地理经度区域，尚属世界大型光学望远镜的空白区，而天文观测常常需要时域、空域的接力观测。因此，这也是国际光学天文发展的宝贵资源。
2020年12月19日，西华师范大学与中国科学院国家天文台合作的50厘米双筒望远镜（50BiN）已率先开始工作，第一幅科学图像上恒星的半高全宽为0.68角秒。
如今，冷湖镇正在建设世界级天文研究中心，发展“天文+科普+旅游”新模式，在这个过程中，邓李才等中国科学家发挥了重要的推动作用。
接下来，中国科学院将与青海省政府合作，一方面，尽快对台址资源进行保护，避免灯光、粉尘、震动等的影响；另一方面，统一规划和布局未来重大观测设施的建设。同时，力促冷湖天文台址的国际合作和开放，吸引国际领先的观测设施落户，使之成为国际光学天文研究的重要基地，使冷湖成为人类探索宇宙奥秘、培育原创性科学成果的重要策源地。https://t.cn/A6Io9D8t
【冰有弹性，可弯曲？科学家用冰制备光纤】生长成单晶微纳光纤的冰，居然在性能上与玻璃光纤相似，既能够灵活弯曲，又可以低损耗传输光。浙江大学光电学院教授童利民团队在长期研究中发现了这种奇妙的现象。他们联合来自交叉力学中心和加州大学伯克利分校的合作者，实现用冰制备光纤，相关成果https://t.cn/A6fK9Vey于7月9日发表于《科学》。
△ 从不可能到可能
在人们的常识中，冰是一种透明易碎的脆性物质，没有弹性、无法弯折。
从古至今，人类对冰的好奇心从未停息，人们对冰进行了广泛深入的研究，从冰的高压相、二维结构等新形态，到电子束光刻等应用探索，对冰的认识和应用能力得到了很大的提升。
但能否用冰来制备光纤？在长达4年的研究中，童利民团队给出了肯定答案。
图1：研究团队生长的直径均匀的冰单晶微纳光纤。
我们通常认为，冰是一种脆性的易碎物质，已有的实验数据也支持上述认识，目前实验测到的冰的最大弹性应变为0.3%左右，大于这个值就会碎裂。
虽然理论计算曾预测，理想情况下，冰的弹性应变极限有可能大于10%，但是真实冰晶中由于存在结构缺陷，能够达到的应变值远低于理论极限。
另一方面，光纤作为一种将光约束和自由传输的功能结构，是目前光场操控最有效的工具之一。将标准光纤直径减小到波长甚至亚波长量级，成为微纳光纤，提升或引入光场在空间约束、近场相互作用、表面增强、波导色散及光动量效应等方面的调控能力，在近场耦合、光学传感和量子光学等方面具有独特优势，是目前光纤领域的前沿研究方向之一。
微纳光纤的光场调控能力，很大程度上取决于光纤材料的结构形态及其光场响应特性。常规的玻璃光纤，主要成分为氧化硅（石英沙），是地壳中含量最丰富的材料之一，在光传输中具有宽带低损耗等优异特性，被“光纤之父”高锟先生称为“古沙传捷音”。 实际上，在地球及很多地外星球表面，比沙更普遍的物质是冰或液态水，童利民团队提出能否用冰来制备光纤？
△ 首次实现冰的弹性弯曲
“这是一个令人好奇的、有趣的问题，大约8年前，我和通讯作者之一、浙大光电学院副教授郭欣就讨论过这个想法，但由于所涉及的实验条件和技术要求很高，一时难以开展。” 2017年，在讨论二年级博士生许培臻的研究方向时，童利民再次提到了用冰来制备光纤这个想法，成果第一作者之一、当时正在准备本科毕设的崔博文，也加入了这个项目。童利民说，他们专注的研究态度和出色的实验动手能力，为实现这个想法提供了可能性。
另外，当时学校刚成立了冷冻电镜中心，为低温下的结构表征提供了研究条件。
在这项研究中，结构制备是关键的第一步。研究团队自行搭建了生长装置，在大量实验基础上，改进了已有的电场诱导冰晶制备方法，成功生长了直径从800纳米到10微米的高质量冰单晶微纳光纤。在冷冻电镜下，验证了这些沿c轴生长的冰单晶微纳光纤具有很好的直径均匀性和表面光滑度。
“作为光纤，必须能够自由弯曲，才会更有用。”童利民说。为了探索冰微纳光纤的力学性能，研究团队发明了一套低温微纳操控和转移技术，实现了液氮环境下微纳结构的灵活、精确操控。在零下150℃的冰微纳光纤中，获得了10.9%的弹性应变，接近冰的理论弹性极限（远高于此前报道的最高0.3%的应变实验值），实现了冰微纳光纤的灵活弯曲。
△ 未来应用潜力广泛
冰的分子结构随压强改变而发生相变，一直是研究者们感兴趣的问题。
但是，由于产生相变所需的压强通常在数千个大气压以上，需要使用特殊设计的金刚石压砧等设备来获得，实现条件不易。
研究团队发现，通过大应变弯曲冰微纳光纤，有可能为相变所需的高压提供一种简单的解决方案。“拉曼光谱是检测相变最灵敏的方法之一，我们现代光学仪器国家重点实验室在光谱测量技术方面有很好的基础。”郭欣说。
为此，研究团队研制了一套结合低温微纳操控的原位显微拉曼光谱测量系统，通过弹性弯曲冰微纳光纤并原位实时测量最大应变区域的拉曼光谱，发现应变超过3%时，就可以出现冰从Ih相（常压相）转变为II相（高压相之一）的特征拉曼峰。
同时，通过弹性弯曲还可以为冰施加超过一万个大气压的负压，这是目前其他实验方法难以做到的。因此，上述弹性弯曲技术为冰的相变动力学研究提供了一种新的实验方法。
更进一步，材料对光场的响应特性取决于其组成元素、分子结构及其排列方式。研究团队预测，由H2O分子规则排列而成的冰单晶微纳光纤，在光的操控方面具有潜在优势。为了测试其光学特性，团队利用其此前发明的近场耦合输入技术，在可见光波段实现了冰微纳光纤的宽带光传输，传输损耗低达0.2dB/cm，与目前高质量平面波导相当，这种光操控能力为微纳光纤用于低温光学导波与传感提供了新的技术可能。
由于理想冰单晶在可见光波段具有极低的吸收和散射特性，进一步优化制备和测试条件，将有可能在冰微纳光纤实现超低损耗光传输。
论文评审专家认为这项研究是“对冰物理认识的重大进步”，所展现的力学和光学特性“无疑是有趣的、独特的，具有潜在的实际应用价值”。
童利民认为，对于冰这样一种自然界中最普遍、但又最神奇的物质，相信该项研究结果将拓展人们对冰的认知边界，激发人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究，以及发展适用于特殊环境的微纳尺度冰基技术。https://t.cn/A6fK9VeL
△ 从不可能到可能
在人们的常识中，冰是一种透明易碎的脆性物质，没有弹性、无法弯折。
从古至今，人类对冰的好奇心从未停息，人们对冰进行了广泛深入的研究，从冰的高压相、二维结构等新形态，到电子束光刻等应用探索，对冰的认识和应用能力得到了很大的提升。
但能否用冰来制备光纤？在长达4年的研究中，童利民团队给出了肯定答案。
图1：研究团队生长的直径均匀的冰单晶微纳光纤。
我们通常认为，冰是一种脆性的易碎物质，已有的实验数据也支持上述认识，目前实验测到的冰的最大弹性应变为0.3%左右，大于这个值就会碎裂。
虽然理论计算曾预测，理想情况下，冰的弹性应变极限有可能大于10%，但是真实冰晶中由于存在结构缺陷，能够达到的应变值远低于理论极限。
另一方面，光纤作为一种将光约束和自由传输的功能结构，是目前光场操控最有效的工具之一。将标准光纤直径减小到波长甚至亚波长量级，成为微纳光纤，提升或引入光场在空间约束、近场相互作用、表面增强、波导色散及光动量效应等方面的调控能力，在近场耦合、光学传感和量子光学等方面具有独特优势，是目前光纤领域的前沿研究方向之一。
微纳光纤的光场调控能力，很大程度上取决于光纤材料的结构形态及其光场响应特性。常规的玻璃光纤，主要成分为氧化硅（石英沙），是地壳中含量最丰富的材料之一，在光传输中具有宽带低损耗等优异特性，被“光纤之父”高锟先生称为“古沙传捷音”。 实际上，在地球及很多地外星球表面，比沙更普遍的物质是冰或液态水，童利民团队提出能否用冰来制备光纤？
△ 首次实现冰的弹性弯曲
“这是一个令人好奇的、有趣的问题，大约8年前，我和通讯作者之一、浙大光电学院副教授郭欣就讨论过这个想法，但由于所涉及的实验条件和技术要求很高，一时难以开展。” 2017年，在讨论二年级博士生许培臻的研究方向时，童利民再次提到了用冰来制备光纤这个想法，成果第一作者之一、当时正在准备本科毕设的崔博文，也加入了这个项目。童利民说，他们专注的研究态度和出色的实验动手能力，为实现这个想法提供了可能性。
另外，当时学校刚成立了冷冻电镜中心，为低温下的结构表征提供了研究条件。
在这项研究中，结构制备是关键的第一步。研究团队自行搭建了生长装置，在大量实验基础上，改进了已有的电场诱导冰晶制备方法，成功生长了直径从800纳米到10微米的高质量冰单晶微纳光纤。在冷冻电镜下，验证了这些沿c轴生长的冰单晶微纳光纤具有很好的直径均匀性和表面光滑度。
“作为光纤，必须能够自由弯曲，才会更有用。”童利民说。为了探索冰微纳光纤的力学性能，研究团队发明了一套低温微纳操控和转移技术，实现了液氮环境下微纳结构的灵活、精确操控。在零下150℃的冰微纳光纤中，获得了10.9%的弹性应变，接近冰的理论弹性极限（远高于此前报道的最高0.3%的应变实验值），实现了冰微纳光纤的灵活弯曲。
△ 未来应用潜力广泛
冰的分子结构随压强改变而发生相变，一直是研究者们感兴趣的问题。
但是，由于产生相变所需的压强通常在数千个大气压以上，需要使用特殊设计的金刚石压砧等设备来获得，实现条件不易。
研究团队发现，通过大应变弯曲冰微纳光纤，有可能为相变所需的高压提供一种简单的解决方案。“拉曼光谱是检测相变最灵敏的方法之一，我们现代光学仪器国家重点实验室在光谱测量技术方面有很好的基础。”郭欣说。
为此，研究团队研制了一套结合低温微纳操控的原位显微拉曼光谱测量系统，通过弹性弯曲冰微纳光纤并原位实时测量最大应变区域的拉曼光谱，发现应变超过3%时，就可以出现冰从Ih相（常压相）转变为II相（高压相之一）的特征拉曼峰。
同时，通过弹性弯曲还可以为冰施加超过一万个大气压的负压，这是目前其他实验方法难以做到的。因此，上述弹性弯曲技术为冰的相变动力学研究提供了一种新的实验方法。
更进一步，材料对光场的响应特性取决于其组成元素、分子结构及其排列方式。研究团队预测，由H2O分子规则排列而成的冰单晶微纳光纤，在光的操控方面具有潜在优势。为了测试其光学特性，团队利用其此前发明的近场耦合输入技术，在可见光波段实现了冰微纳光纤的宽带光传输，传输损耗低达0.2dB/cm，与目前高质量平面波导相当，这种光操控能力为微纳光纤用于低温光学导波与传感提供了新的技术可能。
由于理想冰单晶在可见光波段具有极低的吸收和散射特性，进一步优化制备和测试条件，将有可能在冰微纳光纤实现超低损耗光传输。
论文评审专家认为这项研究是“对冰物理认识的重大进步”，所展现的力学和光学特性“无疑是有趣的、独特的，具有潜在的实际应用价值”。
童利民认为，对于冰这样一种自然界中最普遍、但又最神奇的物质，相信该项研究结果将拓展人们对冰的认知边界，激发人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究，以及发展适用于特殊环境的微纳尺度冰基技术。https://t.cn/A6fK9VeL
#乙观小画廊# #遇见艺术#
《道隐无名》
奥拉维尔·埃利亚松(Olafur Eliasson)
埃利亚松是一位亲近自然的创作者。他在冰岛长大，冰岛的星辰、极光和无尽漫长的黑夜，给予他诸多灵感，并成为了他创作的底色。风、光、水、雾、冰、气等一系列现象，都成为他创作的材料；气象学、物理学、光学和建筑学也成为他艺术表现的基石。埃利亚松喜欢跨界合作，涉猎广泛，擅长运用装置、绘画、雕塑、摄影和电影等媒介创作。
埃利亚松被称为“制造太阳”的人，《道隐无名》就是他制造的一轮太阳，他通过操纵色彩、透明度和光线反射，在室内空间里营造出一个特殊的氛围，黄光笼罩观者，体验感非凡。埃利亚松并没有止步于装置创作，他还在积极推广“小太阳”公益计划，为生活在电力供应匮乏地区的人们制造、分发太阳能灯具，让“太阳”的温度抵达四面八方。
《道隐无名》
奥拉维尔·埃利亚松(Olafur Eliasson)
埃利亚松是一位亲近自然的创作者。他在冰岛长大，冰岛的星辰、极光和无尽漫长的黑夜，给予他诸多灵感，并成为了他创作的底色。风、光、水、雾、冰、气等一系列现象，都成为他创作的材料；气象学、物理学、光学和建筑学也成为他艺术表现的基石。埃利亚松喜欢跨界合作，涉猎广泛，擅长运用装置、绘画、雕塑、摄影和电影等媒介创作。
埃利亚松被称为“制造太阳”的人，《道隐无名》就是他制造的一轮太阳，他通过操纵色彩、透明度和光线反射，在室内空间里营造出一个特殊的氛围，黄光笼罩观者，体验感非凡。埃利亚松并没有止步于装置创作，他还在积极推广“小太阳”公益计划，为生活在电力供应匮乏地区的人们制造、分发太阳能灯具，让“太阳”的温度抵达四面八方。
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