我國穩態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，國家重大科技基礎設施穩態強磁場實驗裝置實現了重大突破，產生了場強45.22萬高斯的穩態磁場，刷新了同類型磁體保持了近23年的世界紀錄。穩態強磁場實驗條件在物理、化學、材料、生命科學等多學科領域都有重要價值。新紀錄的誕生，表明我國擁有了目前國際領先的穩態強磁場實驗條件，能夠為科研人員探索物質世界提供有力支撐。
8月12日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心高場磁體運行監控中心。液晶大屏和一排排電腦屏幕上布滿了各種圖表和數據，實驗過程中，不時有人指著屏幕上的數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，他們獲得的最新數據具有重要意義。
當天下午，中科院合肥物質科學研究院召開新聞發布會宣布，該院強磁場科學中心研制的國家穩態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)產生了45.22萬高斯(即45.22特斯拉)的穩態磁場，刷新了同類型磁體的世界紀錄，成為目前全球范圍內可支持科學研究的最高穩態磁場。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，該成果達到國際領先水平。
穩態強磁場是什么，有哪些作用，新的世界紀錄又意味著什么？
強磁場，為物質科學研究創造極端實驗條件
我們知道，通電的螺線管會產生磁場，電流越大磁場越強。穩態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，磁體內的熱量超乎尋常地變大，所以要通過更加精密、穩定、先進的材料和加工工藝，形成更加強大且穩定受控的磁場。
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”。穩態強磁場是物質科學研究需要的一種極端實驗條件，也是推動重大科學發現的利器。在強磁場實驗環境下，物質特性會受到調控，有利于科學家們發現物質新現象、探索物質新規律。
近年來，強磁場在很多研究領域發揮的重要作用愈發顯現。一方面，強磁場可以誘導新物態。強磁場能有效調控材料中的電荷、自旋、軌道等，使之出現全新的量子態，從而呈現出豐富的新現象。另一方面，強磁場可以催生新的重大應用技術，比如強磁場作用下的電磁冶金技術、化學反應合成等，特別是目前在化學和生物醫學領域廣泛應用的結構解析和非侵入性成像——核磁共振技術。
由于強磁場在物理、化學、材料、生命健康以及工程技術等方面的綜合應用，強磁場極端條件在國際上被稱為21世紀科學、工程和技術的交叉聯合體，也有人稱它為諾貝爾獎的“搖籃”。
重創新，根據新情況改進研究思路和技術工藝
我國穩態強磁場實驗裝置是“十一五”期間國家發改委批準立項的重大科技基礎設施，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難度最高的磁體，也是能夠產生最高穩態磁場的磁體。目前國際上有五大穩態強磁場實驗室，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生了45特斯拉的穩態磁場，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，卻要付出無數汗水和努力。
中科院精密測量科學與技術創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，但在此基礎上哪怕縮短0.01秒，都難度極大。就像穩態強磁場，達到45特斯拉以后，在此基礎上每提升一點點，都需要大量的工作，不僅包括材料、技術、工藝、能源保障等方面的改進，更需要研究和設計思路上的創新。”
在磁場不斷提升的過程中，科研人員一直根據新情況改進新技術。“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個線圈的結構和磁場貢獻進行重新優化；使用新的絕緣材料；對水冷槽的加工工藝進行了改進；等等。”中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員陳思躍介紹。經過5年多的技術攻關，科研團隊先后進行了10余項技術革新，解決了一系列問題，取得重大技術突破。
廣應用，在材料、生命健康等多領域開展數千項前沿研究
2017年9月，我國穩態強磁場實驗裝置通過國家驗收后投入全面運行。截至目前，裝置已經運行超過50萬個機時，為國內外170多家單位提供了實驗條件，在物理、化學、材料、生命健康、工程技術等領域開展了超過3000項課題的前沿研究，取得了一系列重大科技成果，比如首次發現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環路機制等。同時，研發裝置衍生的成果和依托裝置研究產生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術、國家Ⅰ類抗癌創新靶向藥物，已實現轉化。
中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心學術主任匡光力介紹，穩態強磁場實驗條件在物理、化學、材料、生命科學等多學科領域都有重要價值。新紀錄的誕生，表明我國擁有了目前國際領先的穩態強磁場實驗條件，能夠為科研人員探索物質世界提供有力支撐。
世界紀錄的刷新，也為強磁場科學中心規劃建設的另一個大科學裝置——強光磁集成實驗設施奠定了重要基礎?？锕饬榻B，該設施包括以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態磁場的系列磁體裝置，設施還將依托微波、可見光等系列先進波源，建設一批強磁場下光—磁集成測量系統，主要科學目標是解決新型電子材料研發、高溫超導機理研究與應用、生命過程本質探索、新藥創制以及特種功能材料制備等國家重大需求中的瓶頸問題。
“不管是穩態強磁場實驗裝置，還是強光磁集成實驗設施，都是致力于解決國家重大需求的國之重器。對于實現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出高水平的科研成果。”匡光力說。
