我国稳态强磁场实验装置刷新世界纪录
45.22万高斯意味着什么(科技自立自强)
本报记者 徐 靖
《 人民日报 》( 2022年08月17日 第 12 版)
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日前，国家重大科技基础设施稳态强磁场实验装置实现了重大突破，产生了场强45.22万高斯的稳态磁场，刷新了同类型磁体保持了近23年的世界纪录。稳态强磁场实验条件在物理、化学、材料、生命科学等多学科领域都有重要价值。新纪录的诞生，表明我国拥有了目前国际领先的稳态强磁场实验条件，能够为科研人员探索物质世界提供有力支撑。
8月12日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心高场磁体运行监控中心。液晶大屏和一排排电脑屏幕上布满了各种图表和数据，实验过程中，不时有人指着屏幕上的数字与身边人低声交流，看上去与平时没什么两样。可对于这个科研骨干平均年龄仅35周岁的年轻团队来说，他们获得的最新数据具有重要意义。
当天下午，中科院合肥物质科学研究院召开新闻发布会宣布，该院强磁场科学中心研制的国家稳态强磁场实验装置再攀“科技高峰”，其混合磁体(磁体口径32毫米)产生了45.22万高斯(即45.22特斯拉)的稳态磁场，刷新了同类型磁体的世界纪录，成为目前全球范围内可支持科学研究的最高稳态磁场。由多位中国科学院院士、中国工程院院士组成的专家组鉴定认为，该成果达到国际领先水平。
稳态强磁场是什么，有哪些作用，新的世界纪录又意味着什么？
强磁场，为物质科学研究创造极端实验条件
我们知道，通电的螺线管会产生磁场，电流越大磁场越强。稳态强磁场实验装置里的磁体正是基于这样的基本原理进行设计的。不过随着电流增大，导体受到的电磁力急剧增加，磁体内的热量超乎寻常地变大，所以要通过更加精密、稳定、先进的材料和加工工艺，形成更加强大且稳定受控的磁场。
磁场强大到什么程度？地球磁场约等于0.5高斯，这0.5高斯的强度足以撬动指南针，让指针在地球上的任何方向准确旋转指向南方，而此次打破世界纪录的45.22万高斯相当于地球磁场的90多万倍。
“工欲善其事，必先利其器”。稳态强磁场是物质科学研究需要的一种极端实验条件，也是推动重大科学发现的利器。在强磁场实验环境下，物质特性会受到调控，有利于科学家们发现物质新现象、探索物质新规律。
近年来，强磁场在很多研究领域发挥的重要作用愈发显现。一方面，强磁场可以诱导新物态。强磁场能有效调控材料中的电荷、自旋、轨道等，使之出现全新的量子态，从而呈现出丰富的新现象。另一方面，强磁场可以催生新的重大应用技术，比如强磁场作用下的电磁冶金技术、化学反应合成等，特别是目前在化学和生物医学领域广泛应用的结构解析和非侵入性成像——核磁共振技术。
由于强磁场在物理、化学、材料、生命健康以及工程技术等方面的综合应用，强磁场极端条件在国际上被称为21世纪科学、工程和技术的交叉联合体，也有人称它为诺贝尔奖的“摇篮”。
重创新，根据新情况改进研究思路和技术工艺
我国稳态强磁场实验装置是“十一五”期间国家发改委批准立项的重大科技基础设施，包括10台磁体：5台水冷磁体、4台超导磁体和1台混合磁体。其中，混合磁体是国际上技术难度最高的磁体，也是能够产生最高稳态磁场的磁体。目前国际上有五大稳态强磁场实验室，分布于美国、法国、荷兰、日本以及中国合肥科学岛。
早在2016年，中科院合肥物质科学研究院强磁场团队就自主研制成功中心场强40特斯拉(即40万高斯)的混合磁体。1999年，美国国家强磁场实验室的混合磁体产生了45特斯拉的稳态磁场，这个世界纪录保持了近23年。此次的新纪录超出了0.22特斯拉，看起来似乎微不足道，但进步的背后，却要付出无数汗水和努力。
中科院精密测量科学与技术创新研究院叶朝辉院士打了一个形象的比方：“人类目前的百米世界纪录是9秒58，这是不是人类的极限还无法确定，但在此基础上哪怕缩短0.01秒，都难度极大。就像稳态强磁场，达到45特斯拉以后，在此基础上每提升一点点，都需要大量的工作，不仅包括材料、技术、工艺、能源保障等方面的改进，更需要研究和设计思路上的创新。”
在磁场不断提升的过程中，科研人员一直根据新情况改进新技术。“比如通过液压的方式增加线圈比特片之间的摩擦力；把中心3个线圈的结构和磁场贡献进行重新优化；使用新的绝缘材料；对水冷槽的加工工艺进行了改进；等等。”中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员陈思跃介绍。经过5年多的技术攻关，科研团队先后进行了10余项技术革新，解决了一系列问题，取得重大技术突破。
广应用，在材料、生命健康等多领域开展数千项前沿研究
2017年9月，我国稳态强磁场实验装置通过国家验收后投入全面运行。截至目前，装置已经运行超过50万个机时，为国内外170多家单位提供了实验条件，在物理、化学、材料、生命健康、工程技术等领域开展了超过3000项课题的前沿研究，取得了一系列重大科技成果，比如首次发现外尔轨道导致的三维量子霍尔效应、揭示日光照射改善学习记忆的分子及神经环路机制等。同时，研发装置衍生的成果和依托装置研究产生的多项成果，如组合扫描探针显微技术、国家Ⅰ类抗癌创新靶向药物，已实现转化。
中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心学术主任匡光力介绍，稳态强磁场实验条件在物理、化学、材料、生命科学等多学科领域都有重要价值。新纪录的诞生，表明我国拥有了目前国际领先的稳态强磁场实验条件，能够为科研人员探索物质世界提供有力支撑。
世界纪录的刷新，也为强磁场科学中心规划建设的另一个大科学装置——强光磁集成实验设施奠定了重要基础。匡光力介绍，该设施包括以55特斯拉混合磁体、36特斯拉超导磁体为代表的具有世界最高稳态磁场的系列磁体装置，设施还将依托微波、可见光等系列先进波源，建设一批强磁场下光—磁集成测量系统，主要科学目标是解决新型电子材料研发、高温超导机理研究与应用、生命过程本质探索、新药创制以及特种功能材料制备等国家重大需求中的瓶颈问题。
“不管是稳态强磁场实验装置，还是强光磁集成实验设施，都是致力于解决国家重大需求的国之重器。对于实现高水平科技自立自强，我们充满信心，更想尽一份力，希望更多用户可以依托装置产出高水平的科研成果。”匡光力说。