走进全世界最安静的房间

造就 · 公众号 · 科技自媒体 · 2017-02-06 22:01

正文

在离瑞士苏黎士市中心几公里远的地方，有一个特殊的岩床洞穴，里面放着一台自旋极化扫描电子显微镜。这可不是那种脏兮兮、潮乎乎的洞穴，它为纳米技术进行了专门的改造，不但安静至极，而且能屏蔽电磁辐射，无振动。还有一点，这儿很凉爽。

如果要进行原子级别的实验，把一个原子从分子的一端移到另一端，就需要极为精确的设备。但如果没有同样严格精密的实验室来安放它，那设备再精确也无济于事。当你用显微镜观察单个原子时，丝毫的振动都不能存在，否则影像就会模糊。

另一方面，原子也不安分：你花了几个小时架好透射电子显微镜（TEM），结果因为气温波动或电磁场影响，原子就会获得足够的能量开始四处乱跑。

解决方案之一就是在地下深处建一个地堡，从最初的模拟、设计直到构建，方方面面都围绕一个目的：彻底与世隔绝。2011年，IBM研究所设立宾宁与罗尔纳米技术中心（Binnig and Rohrer Nanotechnology Center）时就建了这样一座地堡。

该中心位于苏黎士郊外的吕施利孔，造价约9000万美元。建筑物由IBM建造并拥有，但IBM研究所和苏黎士联邦理工学院共用建筑与设备。该学院与IBM之间存在大量合作，特别是在纳米技术领域。

中心下方有六间“安静”至极的屋子，从声波、物理振动到电磁辐射，任何干扰波都无法侵入。每间房专门用于一项纳米级实验：一间摆着台拉曼显微镜，用于给分子“提取指纹”；一间摆着台透射电子显微镜，它类似于光学显微镜，但不用光线而用电子束，可分辨0.09纳米的细节。

每个房间都是一片死寂，显得有些瘆人，而正中间却摆了一台价值数百万美元的笨重设备。探访了几间后我才发现，我的手机变得异常安静。“这是因为每间房都用镍铁包裹了起来，”引导员跟我说。

房间内的功能设计无法一一详述，我只能择其精要，向读者略作介绍。首先，它们直接依岩床而建，极大地减弱了附近道路和地铁传来的震动。其次，每间房的四壁与上下都用镍铁合金包裹，大部分的外部电磁场都被屏蔽在外，包括隔壁实验发出的辐射。

多数房间都分成两个区域：一边是小小的前厅，一名控制员坐在里面；一边是主室，安置实验设备。人体的产热功率约为100瓦，发出的噪音和震动也不可小觑，所以在实验运行时，也需要做到人机隔离。

为加强隔离效果，每间房都安有两层分开的地板，一层架空供人走动，另外一层安放设备。安放设备的那层与其说是地板，不如说是巨大的混凝土块（重达68吨），安放在一套主动式气垫悬架上。就算有震动通过岩床传导过来，或者附近有卡车轰隆而过，气垫悬架都会即刻将振动吸收掉。

这还不算完！为将声波干扰降至最低，房间内还衬有吸声材料。另外，如果某项实验的辅助部件（真空泵、电变压器等）会发出噪声，它们就会被放到另一间房，远离主设备，实现物理和声学上的隔离。

最后，空调的设计也十分讲究，不但安静、将空气流动降至最低，而且能保持室温平稳。每间房专门供人类走动的架空地板都布满孔洞。冷空气从孔中缓缓冒出，升腾至天花板，然后被吸走。你几乎感觉不到气流的存在。

关于IBM研究所的静室，最主要的物理特征就是这些了，但还有两点值得一提。其一，照明一律用LED灯，靠直流电供电，且距离够远，不会带来电磁辐射干扰。其二，每间房配备三对亥姆霍兹线圈，按照X、Y和Z轴摆放，覆盖三维空间。若有电磁场（比如地磁场）通过重重关卡，渗透到这里，就可以通过调谐线圈，将其抵消殆尽。

静室到底有多静？

六间房每间造价约149万美元（不计设备）。那么，它们究竟有多静呢？我们不妨按干扰类型逐一分解。

房间中齐腰高处的温度设定为21度，稳定性为每小时0.01℃（也就是说，温度升至21.01℃需要一小时）。24小时最大温差仅为0.03℃。

交流电源产生的电磁场被衰减至不足3纳特斯拉（nT），相当于冰箱贴磁场的1500分之一。直流电磁场被衰减为20 nT。另外，还有约43微特斯拉（μT）的地磁场。

最厉害的也许要数震动的衰减了：对水泥基座上的设备而言，振动频率为1赫兹时，其每秒移动幅度削弱至不足300纳米；振动频率超过100赫兹时，每秒移动幅度不足10纳米，远远优于美国国家标准技术研究所（NIST）高级测量实验室的规格。

虽然本文的标题是以“安静”作为噱头，但颇为讽刺的是，最薄弱的一环竟是声波。虽然房间与外界噪音隔绝，吸音材料也很好地扼杀了内部声波，但机器本身的微弱震动，以及通风系统的轻微响动，这些总是在所难免。

房间里的声波干扰永远低于30分贝，若不运行动静较大的实验，甚至可以低至21分贝。按照人类的评判标准，这已经非常安静了，但还不至于让我失去理智，或者说静到离谱。说实话，我因为没能听到自己肠蠕动的声音而感到些许失望。

海因里希·罗尔与格尔德·宾宁共同发明了扫描隧道显微镜，并因此获得诺贝尔奖。图中是作者手持罗尔的诺奖奖章。

为什么要建六间静室？

“工欲善其事，必先利其器，”这句说已经说烂了，而IBM和苏黎世联邦理工学院花这么多钱建造静室，原因也不外乎如此。

不论是透射电子显微镜，还是自旋极化扫描电子显微镜，这样的大型机器都要摆放得十分稳当，并尽可能减少外来干扰：如果不能把干扰控制在机器的标称操作参数之内，所得数据可能就没多大用处了。

另一方面，如果能创造出比机器最佳参数更理想的条件，比如将振动或噪声减至“建议水平”以下，那就可能得出连仪器制造商都意想不到的精确图像和图表。

举个例子，IBM 研究所的扫描电子显微镜曾被安放于主建筑的地下室，接触的是普通的水泥地面。搬入静室之后，使用自旋极化扫描电子显微镜的首席科学家称，其解析度提高到了原先的两到三倍（这样的提升绝对是巨大的）。

引导员告诉我说，也正因此，已经有“多家仪器设备制造商”找到研究所，询问能否借用静音实验室测试设备。他们想知道，在近乎完美的环境条件下，其设备表现能达到何种程度。

最美好的故事留到最后：上世纪八九十年代，该中心尚未诞生，IBM的研究人员还没有专门的纳米技术研究设施。他们的实验室往往设在地下室。发明扫描隧道显微镜（STM）那会儿，海因里希·罗尔（Heinrich Rohrer）和格尔德·宾宁（Gerd Binnig）只能在夜深人静时工作，以减少附近道路的振动等外部干扰。功夫不负有心人，他们因此收获了诺贝尔奖。

新建筑以罗尔和宾宁的名字命名。完工后，一些IBM退休人员对无噪室进行了审核，并感叹道：“要是八九十年代有这样的设施那该多好，我们就不用在半夜三更工作了。”

翻译：雁行

来源：Arstechnia

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