我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置刷新世界紀錄

　　45.22萬高斯意味著什么(科技自立自強)

　　本報記者 徐 靖

　　《 人民日報 》( 2022年08月17日 第 12 版)

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　　日前，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置實現(xiàn)了重大突破，產(chǎn)生了場強45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場，刷新了同類型磁體保持了近23年的世界紀錄。穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件在物理、化學、材料、生命科學等多學科領(lǐng)域都有重要價值。新紀錄的誕生，表明我國擁有了目前國際領(lǐng)先的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件，能夠為科研人員探索物質(zhì)世界提供有力支撐。

　　8月12日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心高場磁體運行監(jiān)控中心。液晶大屏和一排排電腦屏幕上布滿了各種圖表和數(shù)據(jù)，實驗過程中，不時有人指著屏幕上的數(shù)字與身邊人低聲交流，看上去與平時沒什么兩樣。可對于這個科研骨干平均年齡僅35周歲的年輕團隊來說，他們獲得的最新數(shù)據(jù)具有重要意義。

　　當天下午，中科院合肥物質(zhì)科學研究院召開新聞發(fā)布會宣布，該院強磁場科學中心研制的國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置再攀“科技高峰”，其混合磁體(磁體口徑32毫米)產(chǎn)生了45.22萬高斯(即45.22特斯拉)的穩(wěn)態(tài)磁場，刷新了同類型磁體的世界紀錄，成為目前全球范圍內(nèi)可支持科學研究的最高穩(wěn)態(tài)磁場。由多位中國科學院院士、中國工程院院士組成的專家組鑒定認為，該成果達到國際領(lǐng)先水平。

　　穩(wěn)態(tài)強磁場是什么，有哪些作用，新的世界紀錄又意味著什么？

　　強磁場，為物質(zhì)科學研究創(chuàng)造極端實驗條件

　　我們知道，通電的螺線管會產(chǎn)生磁場，電流越大磁場越強。穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置里的磁體正是基于這樣的基本原理進行設(shè)計的。不過隨著電流增大，導體受到的電磁力急劇增加，磁體內(nèi)的熱量超乎尋常地變大，所以要通過更加精密、穩(wěn)定、先進的材料和加工工藝，形成更加強大且穩(wěn)定受控的磁場。

　　磁場強大到什么程度？地球磁場約等于0.5高斯，這0.5高斯的強度足以撬動指南針，讓指針在地球上的任何方向準確旋轉(zhuǎn)指向南方，而此次打破世界紀錄的45.22萬高斯相當于地球磁場的90多萬倍。

　　“工欲善其事，必先利其器”。穩(wěn)態(tài)強磁場是物質(zhì)科學研究需要的一種極端實驗條件，也是推動重大科學發(fā)現(xiàn)的利器。在強磁場實驗環(huán)境下，物質(zhì)特性會受到調(diào)控，有利于科學家們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)新現(xiàn)象、探索物質(zhì)新規(guī)律。

　　近年來，強磁場在很多研究領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用愈發(fā)顯現(xiàn)。一方面，強磁場可以誘導新物態(tài)。強磁場能有效調(diào)控材料中的電荷、自旋、軌道等，使之出現(xiàn)全新的量子態(tài)，從而呈現(xiàn)出豐富的新現(xiàn)象。另一方面，強磁場可以催生新的重大應用技術(shù)，比如強磁場作用下的電磁冶金技術(shù)、化學反應合成等，特別是目前在化學和生物醫(yī)學領(lǐng)域廣泛應用的結(jié)構(gòu)解析和非侵入性成像——核磁共振技術(shù)。

　　由于強磁場在物理、化學、材料、生命健康以及工程技術(shù)等方面的綜合應用，強磁場極端條件在國際上被稱為21世紀科學、工程和技術(shù)的交叉聯(lián)合體，也有人稱它為諾貝爾獎的“搖籃”。

　　重創(chuàng)新，根據(jù)新情況改進研究思路和技術(shù)工藝

　　我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置是“十一五”期間國家發(fā)改委批準立項的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，包括10臺磁體：5臺水冷磁體、4臺超導磁體和1臺混合磁體。其中，混合磁體是國際上技術(shù)難度最高的磁體，也是能夠產(chǎn)生最高穩(wěn)態(tài)磁場的磁體。目前國際上有五大穩(wěn)態(tài)強磁場實驗室，分布于美國、法國、荷蘭、日本以及中國合肥科學島。

　　早在2016年，中科院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場團隊就自主研制成功中心場強40特斯拉(即40萬高斯)的混合磁體。1999年，美國國家強磁場實驗室的混合磁體產(chǎn)生了45特斯拉的穩(wěn)態(tài)磁場，這個世界紀錄保持了近23年。此次的新紀錄超出了0.22特斯拉，看起來似乎微不足道，但進步的背后，卻要付出無數(shù)汗水和努力。

　　中科院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院葉朝輝院士打了一個形象的比方：“人類目前的百米世界紀錄是9秒58，這是不是人類的極限還無法確定，但在此基礎(chǔ)上哪怕縮短0.01秒，都難度極大。就像穩(wěn)態(tài)強磁場，達到45特斯拉以后，在此基礎(chǔ)上每提升一點點，都需要大量的工作，不僅包括材料、技術(shù)、工藝、能源保障等方面的改進，更需要研究和設(shè)計思路上的創(chuàng)新。”

　　在磁場不斷提升的過程中，科研人員一直根據(jù)新情況改進新技術(shù)。“比如通過液壓的方式增加線圈比特片之間的摩擦力；把中心3個線圈的結(jié)構(gòu)和磁場貢獻進行重新優(yōu)化；使用新的絕緣材料；對水冷槽的加工工藝進行了改進；等等。”中科院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員陳思躍介紹。經(jīng)過5年多的技術(shù)攻關(guān)，科研團隊先后進行了10余項技術(shù)革新，解決了一系列問題，取得重大技術(shù)突破。

　　廣應用，在材料、生命健康等多領(lǐng)域開展數(shù)千項前沿研究

　　2017年9月，我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置通過國家驗收后投入全面運行。截至目前，裝置已經(jīng)運行超過50萬個機時，為國內(nèi)外170多家單位提供了實驗條件，在物理、化學、材料、生命健康、工程技術(shù)等領(lǐng)域開展了超過3000項課題的前沿研究，取得了一系列重大科技成果，比如首次發(fā)現(xiàn)外爾軌道導致的三維量子霍爾效應、揭示日光照射改善學習記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機制等。同時，研發(fā)裝置衍生的成果和依托裝置研究產(chǎn)生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國家Ⅰ類抗癌創(chuàng)新靶向藥物，已實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。

　　中科院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心學術(shù)主任匡光力介紹，穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件在物理、化學、材料、生命科學等多學科領(lǐng)域都有重要價值。新紀錄的誕生，表明我國擁有了目前國際領(lǐng)先的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件，能夠為科研人員探索物質(zhì)世界提供有力支撐。

　　世界紀錄的刷新，也為強磁場科學中心規(guī)劃建設(shè)的另一個大科學裝置——強光磁集成實驗設(shè)施奠定了重要基礎(chǔ)。匡光力介紹，該設(shè)施包括以55特斯拉混合磁體、36特斯拉超導磁體為代表的具有世界最高穩(wěn)態(tài)磁場的系列磁體裝置，設(shè)施還將依托微波、可見光等系列先進波源，建設(shè)一批強磁場下光—磁集成測量系統(tǒng)，主要科學目標是解決新型電子材料研發(fā)、高溫超導機理研究與應用、生命過程本質(zhì)探索、新藥創(chuàng)制以及特種功能材料制備等國家重大需求中的瓶頸問題。

　　“不管是穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置，還是強光磁集成實驗設(shè)施，都是致力于解決國家重大需求的國之重器。對于實現(xiàn)高水平科技自立自強，我們充滿信心，更想盡一份力，希望更多用戶可以依托裝置產(chǎn)出高水平的科研成果。”匡光力說。