Quantum Design 40年，一段严谨创新的狂想曲

发布日期：2022-06-27

Quantum Design International 圣迭戈总部办公室

今天，当走进几乎世界上任何一个涉及到低温强磁场下物性表征的高端科学研究实验室，你都有可能看到带有Quantum Design标识的研究设备。是的, 通过40年的不懈努力，Quantum Design已经把低温强磁场下的物性表征，从传统极端条件下复杂、繁冗的专业化搭建过程，转变为快速、全自动的一键操作，的提升了低温强磁场下的研究效率，在超导、磁学、半导体、电子、二维材料、化学等各个领域，PPMS综合物性测量系统和MPMS精密磁学测量系统助力了无数个重大科学发现，仅在过去的5年，利用Quantum Design生产的PPMS、MPMS系列产品发表在Nature，Science正刊的科研工作近百余篇。

Quantum Design创建于1982年，在过去40年的时间里秉承“By Scientist， for Scientist”的理念，由具备强大技术背景的科学家组成的研发团队，紧跟时代科技发展需求，致力于解决低温强磁下科研工作中繁琐的实验痛点，并不断寻求探索前沿的测量技术，推出各类新型测量功能以满足多种多样化的测量需求，精益求精，与时俱进。在过去的40年里，Quantum Design已经发展成为了一个全球跨国企业。为了加强本地化服务，在多个国家地区设立了办事处和分公司，成为受人尊敬的前沿科学研究领域的高端设备生产商。站在四十周年的时间点，我们回看公司的创新历程，心潮澎湃 。

UCSD Brian Maple实验室DynaCool

普渡大学Will Niel实验室DynaCool

微软实验室使用DynaCool进行量子计算相关研究

QUANTUM DESIGN的创立与初代MPMS

回顾超导被发现以来的百余年历史，从1911年昂内斯发现超导现象，到1957年Bardeen, Cooper and Schriefer发表的BCS超导理论，再到1986年Bednorz 和 Muller成功合成钙钛矿结构的高温超导镧钡铜氧化合物，以及随后的铜基、铁基超导材料的大热。你或许会感叹于近几十年来超导技术和理论研究的飞速发展。

同样回顾Quantum Design创立今的40年历史时，也能随处看到前沿超导技术的身影。就如同人们对超导理论的不断探索，Quantum Design公司从创立今也从未停下研发创新的步伐，致力于推动前沿的科学研究工作。

在上世纪50年代，随着一代低温实验技术的不断发展、超导磁体和利用液氦实现的温实验装置逐渐商业化。1981年-1982年Quantum Design的四位创始人David Cox, Michael Simmonds, Ronald Sager, Barry Lindgren受到斯坦福大学Blas Cabrera的 First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles 工作的启发（[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年诺奖成果约瑟夫森效应的超导量子干涉仪）对材料进行超高灵敏度磁性测量的想法逐步成为了现实。四位创始人走到了一起，希望能够利用SQUID（超导量子干涉仪）技术研制一款商用的超高灵敏度磁学测量设备，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（超导量子干涉仪）技术的、由Quantum Design自主研发生产的Magnetic Property Measurement System (MPMS)系统发往了Iowa State University爱荷华州立大学，也是通过这台仪器的成功使客户对新的量子设计技术产生了浓厚的兴趣。

1982年Quantum Design 4位创始人合影

The Founders of Quantum Design circa 1982.

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

Mark I--台Quantum Design 的MPMS系统。使用射频SQUID控制器的2特斯拉MPMS，用户界面是在惠普HP-85计算机上用BASIC编写的。

该系统于1984年7月交付给爱荷华州立大学的罗伯特-谢尔顿教授。

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的用户 左：Peter Klavins, 右：Professor Robert Shelton

在铜基高温超导的研究浪潮下，PPMS应运而生

1986年，随着高于30K的超导材料镧钡铜氧被发现后，打破了当时理论预测的极限，1987年March Meeting美国物理学会年会临时增加了由University of California, San Diego的Brian Maple教授主持“高临界温度超导体专门会议”。会议报告从晚上19:30开始，一直讲到凌晨3:15，持续了7小时45分钟。展现了近50篇高温超导的相关研究文献，其中来自中国科学院物理研究所的赵忠贤老师进行了长达20分钟的报告，并在国际上公布液氮温区超导体的元素组成：钇—钡—铜—氧，成为了铜基超导材料的领军人物之一，于是越来越多的超导科研工作者投身到高温超导材料的探索热潮之中，同时也推动了对超高灵敏度温磁学测量系统的巨大需求，MPMS测量设备的需求在80年代末90年代初走向了高峰。

为了满足低温强磁场下材料的更多物性表征以及更高磁场的测量需求，90年初，Quantum Design在MPMS系统设计的基础上开始研发一款低温强磁场下多种物性综合表征的测量系统，也就是后来我们熟知的PPMS系统。

1994年2月套PPMS系统发往Purdue University普渡大学，相比当时诸多简单的低温磁体系统，PPMS测量系统有着更加优异的控温机制，此后在广大科研用户的不断要求下，Quantum Design在PPMS系统上也开始不断开发新的测量功能。

套PPMS综合物性测量系统系统

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.

把低温控温做向，CLTC技术和MPMS XL登场

1995年前后，低温强磁场下的研究变得尤为重要，低温磁体系统和磁学测量相关的生产厂商如雨后春笋一般涌现，Quantum Design并未停下研发的脚步，在1996年March Meeting上发布了首款基于Continuous Low-Temperature Control (CLTC) 持续低温控制并集成Reciprocating Sample Option (RSO)往复式磁学测量模式的MPMS -XL系统，将MPMS和PPMS系统的各项功能进一步臻于完善。

带有新的连续低温控制和RSO测量选项的MPMS-XL于1996年3月在APS会议上展出。

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系统推出后大受市场追捧，极其稳定的低温控温表现以及超高灵敏度的SQUID器件测量表现，引起了材料物理领域的广泛关注。在订单量不断创新高的同时，Quantum Design也对订单、品控、生产管理进行了革新，为接下来公司的发展打下了坚实的基础。

此外PPMS系统也在根据用户以及市场需求不断扩展其测量功能，推出的比热测量选件凭借独特且精密的设计拿下了1998年的R&D设计大奖。

PPMS上获得R&D100大奖的比热测量选件

指数般增长的液氦消耗和实验成本的担忧

步入2000年，大量低温相关的仪器设备不断涌现，从温制冷到大型磁体系统、医用设备等，液氦消耗量以肉眼可见的速度不断攀升，而作为一个稀缺资源，其价格也不断水涨船高，到2005年短短5年时间，液氦价格就翻了一倍。

和科学家保持紧密联系的Quantum Design从90年代末就意识到了这一点，开始了对PPMS、MPMS两条产品线的液氦闭循环设计研发，1998年Quantum Design公司成功利用GM制冷机实现了液氦的闭循环利用，并推出了市面上首款液氦闭循环的低温磁体系统MPMS EverCool，并在随后的2000年推出了PPMS的EverCool解决方案，受到了世界范围内科学家的青睐。

集成有EverCool液氦闭循环组件的MPMS XL系统

集成代EverCool液氦自循环系统的PPMS

继续推进无液氦进程，VersaLab系统小型便捷化解决方案

随着越来越多的PPMS系统步入全球前沿实验团队，越来越多的课题组和实验室对集成化低温磁场测量系统产生了迫切的需求，然而液氦消耗成本却成了拦路虎。为了解决这一痛点，Quantum Design不断革新无液氦和液氦闭循环设计，并在2007年推出了完全无需液氦的磁场为3特斯拉的多功能振动样品磁强计VersaLab。整合VSM（振动样品磁强计）测量和其他物性测量功能，该系统很快成为了诸多工业客户、没有液氦资源的偏远地区客户以及教学用途客户的优选，受到了广泛的关注。

完全无需液氦的3特斯拉多功能振动样品磁强计系统VersaLab

小型化智能型氦液化回收系统

彼时液氦回收系统还停留在大型工业化车间和专人值守的印象之中，美国大幅减少氦气出口也导致越来越多的科研团队面临液氦难题。科学家需要尽可能地将液氦回收利用降低成本，于是一套定位于小型实验室，大程度减少占地和尽可能能智能化控制的氦液化回收系统ATL就此诞生。Quantum Design的氦液化回收系统配合单冷头加压式高压液化技术和集成式设计的杜瓦，ATL能够实现轻松单冷头高25 L/Day的液化效率，160 L的集成式杜瓦能够方便客户将回收的液氦轻松推到实验室的每一个角落进行液氦传输。

荷兰莱顿大学多套ATL液氦回收中心

稀释制冷机、HE3也可以这么简单易用

早在2000年初，你也许很难想象，在1英寸孔径的样品腔内如何实现超低温He3测量和稀释制冷机温度的测量方案。当时市面上的独立稀释制冷机和He3系统设计都较为庞大，每次升降温动辄都需要1天甚好几天的时间，并且由于高昂的价格成本和使用学习成本，想要实现mK级的测量仿佛只是先进实验室的特权。

科学家们向Quantum Design提出了更高的要求，PPMS是否可以把温度降到更低？Quantum Design的科学家欣然接受了这挑战，在1999年和2005年Quantum Design在PPMS仅1英寸孔径的样品腔内，成功设计实现了低0.4K的He3制冷机和50mK的稀释制冷机。而更惊人的是，两套系统的总降温时间分别低于4小时和8小时，这无疑让当时希望开展超低温试验的课题组眼前一亮。

PPSM专用稀释制冷机	华中科技大学使用PPMS专用稀释制冷机开展超低温研究工作

超快变温及超快扫场加持的MPMS系统的蜕变

20世纪末MPMS XL已经成为了低温精密磁学测量领域的利刃，其灵敏度和温控都足以应对大部分客户的测量需求，但Quantum Design却并未止步。为了尽可能提升测量效率，2002年Quantum Design开始了革命性的SQUID-VSM研制，也就是第三代MPMS系统（MPMS3）。设备在研制之初将高稳定性VSM振动样品磁强计的振动马达作为了测量部分的核心，以精密的磁浮式轴承取代了传统的电磁马达设计，实现了超高稳定性超高精度的线性振动控制，也为之后PPMS、MPMS系统的磁学测量功能打下坚实的基础。此外，全新设计的MPMS3系统全面改进了系统控温和磁体设计，采用气冷式高均匀度超导磁体，和超快的样品腔变温控制。30K/min的降温速率和700 Oe的快速励磁性能今仍鲜有被超越，强大的MPMS3的出现展现了Quantum Design永不满足技术现状的蓬勃进取心！

强大的全新一代磁学测量系统-MPMS3

2008年国内首套MPMS3系统安装在中国科学院物理研究所

十年磨一剑，完全无液氦物性测量系统DynaCool

从2000年以来，Quantum Design公司一直致力于优化设计温超导磁体测量系统对氦气以及液氦这种昂贵的资源依赖，而在此过程中并不因为液氦回收而对系统的性能进行妥协。经过不懈的努力，2011年初推出了全新一代的完全无液氦物性测量系统PPMS-DynaCool，将系统启动所需的液氦量降低到了1/4瓶氦气，并且在所有温控、磁场等关键技术指标上没有受到任何影响，反而更加优异。

全新一代的完全无液氦物性测量系统PPMS-DynaCool

全球第300套DynaCool系统落户南方科技大学

印证理论和实验测量极限，mK温度下的磁学测量延伸

在1K以下，不断接近于零度的过程中电子-声子散射作用逐渐被抑制，能够观察到更多被掩盖的量子态，对材料的本征物理特性的研究具有重大意义，同时也拓展了材料研究新的领域。例如非常规超导体重费米子材料、自旋液体材料等引发的对BCS超导理论、强关联电子复杂行为、量子阻挫行为的深入探讨。然而目前传统的mK温度下的测量手段仍然非常有限，在mK温度的测量对系统的稳定性要求较高，微弱的扰动都可能导致温度的剧烈波动，使得电学输运的研究手段成为了长久以来“”的选择。人们也似乎很难将常规需要在探测线圈中移动样品才能进行的磁学测量手段与mK极限低温联系起来。2016年Quantum Design公司在温测量领域的开发仍在不断延伸，推出了基于PPMS综合物性测量系统稀释制冷机的ACDR交流磁化率组件，结合Quantum Design日本分公司推出的MPMS3 He3温选件，成功实现了mK温度区间的直流磁学和交流磁学的测量功能。

基于PPMS综合物性测量系统稀释制冷机的ACDR交流磁化率组件

集成He3温磁学测量功能的全新一代磁学测量系统-MPMS3

面向未来，超精准全开放强磁场低温光学研究平台——OptiCool

近年来量子信息与量子材料研究方兴未艾。在测量手段上以低温强磁场显微光谱和超快泵浦测量的快速发展为代表。新的测量手段无论是在尺度分辨和时间分辨上都更进一步，让科学家们可以更加深入的研究物理机理，加快了研究到应用的转化。

传统的低温磁场系统在光学测量方面存在诸多限制，例如工作距离长，振动较大、受困与设计的实验不便等。Quantum Design基于多年低温强磁场测量平台设计经验，开发了开创性的基于自由光路的强磁场低温光学研究平台——OptiCool。OptiCool设备是一款基于全新设计理念，面向未来的强磁场低温光学研究平台，方便了低温强磁场下的光学相关研究实验。该系统一经推出就获得了科研界的广泛好评，获得了2018年R&D100创新设计大奖。OptiCool具有多光学窗口、近工作距离、大磁场均匀区、超低振动、超高温度稳定性等诸多特点。系统还可以集成位移器、物镜、高压腔、多种电学通道等拓展选件。三年多时间全球已安装数十台，已帮助部分用户取得了优异的科研成果，未来该系统必将在量子材料和量子信息研究领域继续帮助科学家大放光彩!

超精准全开放强磁场低温光学研究平台——OptiCool

国内首套超精准全开放强磁场低温光学研究平台OptiCool落户清华大学！

科研利器助力中国科技 铁基超导研究大放异彩

2004年Quantum Design中国子公司成立，设立了专业的售后服务和应用中心，为国内几百家先进的科研用户单位提供服务，这些系统在中国科学家的研究工作中发挥了重要的作用，在这些硕果累累的科研进展中，受到广泛关注的是铁基超导体的重大突破。

作为宏观量子现象的超导电性具有重要的基础科学研究价值和巨大的应用前景，探索新的高临界温度超导体是各国科学家长期以来追求的目标。在铜氧化物高温超导体突破了麦克米兰极限温度以后，全世界科学家对超导材料的探索一度陷入迷茫，国际上的相关研究进入低谷，2008年，中科院物理研究所赵忠贤院士（Quantum Design产品在中国的个用户）的中国科研团队在铁基超导材料领域取得了系列重大突破，再次掀起了超导领域的热潮。铁基高温超导体的发现是继铜氧化物高温超导体之后尤为重要的进展，以赵忠贤院士为代表的中国科学家基于长期积累做出了大量原创性的工作，取得了突破性进展。赢得了国际学术界的广泛认可，和推动了铁基超导及相关领域的研究和发展。

赵忠贤院士团队（图片来源 新华网）

Quantum Design中国应用中心实验室

科技永不停步，创新未有穷期

基础科学是人类科技能够快速发展的基础，虽然近百年来，我们可以看到科技的日新月异，但人类的基础科学其实已经有百年未有重大突破了。强磁场、温等极端实验条件由于能观测到常规条件不能观测到的实验现象而受到科学研究工作者的关注，利用低温强磁场可以对物质进行调控，因而低温强磁场下的物性表征能发现新现象、揭示新规律，为多学科的交叉研究提供新机遇，必将进一步推动中国以及世界前沿基础科学探索。

Quantum Design在过去的40年凭借不断追求技术创新和满足客户大需求的专业精神，成为低温强磁场下物性测量的佼佼者，现在，Quantum Design正助力全球3000多高端实验室的科学用户，在低温强磁场下展开科学探索：平均每，就会有多篇知名期刊报道Quantum Design用户在低温强磁场下的研究工作，揭示新的科研进展；平均每两天，就会有一台Quantum Design全新的低温强磁场设备运到世界各地的高端实验室，助力科学家的基础研究。

“科技永不停步，创新未有穷期”，站在四十周年的时间点回眸的一瞬间，Quantum Design的科学家已经踏上了新的开发探索征程，“万阻重山路漫漫  千里一骑已绝尘”， 让我们一起期待Quantum Design即将奏响的下一个创新旋律！

创始人Michael Simmonds博士因为的贡献受到世界电气与电子工程师学会（IEEE）的表彰