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揭秘最高稳态磁场

来源:中国科学报 王敏 赵盛  发表时间:2022-8-22 10:46:14   浏览:

  地球磁场约等于0.5高斯,这0.5高斯的强度就拥有足够的力量拨动指南针,让指南针的指针从任何方向旋转后都准确指向南方。

  近日,中国科学院合肥物质科学研究院(以下简称合肥研究院)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。

  45.22万高斯相当于地球磁场的90多万倍。这项世界纪录的突破意味着什么?有了这样的强磁场,能做哪些研究?《中国科学报》记者走进国家稳态强磁场实验装置一探究竟。

 增加0.22特斯拉有多难?

  很多人可能会问:美国国家强磁场实验室混合磁体1999年产生了45特斯拉稳态磁场,这个世界纪录保持了23年。合肥研究院混合磁体产生的45.22特斯拉,仅仅高出0.22特斯拉。增加0.22特斯拉为何这么难?

  中科院院士、中科院精密测量科学与技术创新研究院研究员叶朝辉打了一个形象的比喻,“人类目前的百米纪录是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,都是难度极大的事。”

  叶朝辉表示,“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。”

  随着科学研究不断向广度拓展、向深度进军,科学家必须借助精度更高、功能更强的设施设备进行研究。可以说,重大科技基础设施直接关系到建设科技强国的核心竞争力。

  叶朝辉说,“此次国家稳态强磁场实验装置的混合磁体,刷新了世界纪录,凸显了我国大科学装置建设的成效,相信可以促进包括物理、化学、材料、生命健康等领域在内的基础研究和应用研究取得进步。”

  合肥研究院强磁场科学中心学术主任匡光力说:“有了这么好的实验条件,未来希望用户可以依托装置产出高水平的科研成果。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。”

  有了强磁场能做哪些事?

  “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,将成为推动重大科学发现的“利器”。

  近年来,强磁场作为一种极端条件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,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,特别是目前在化学、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”。

  国家稳态强磁场实验装置自投入运行以来,截至目前已经运行超过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。

  与此同时,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等,成功转化为现实生产力。

 为另一大科学装置奠定重要基础

  纵观全球,世界主要科技强国一直很重视强磁场实验条件建设。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。

  我国稳态强磁场实验装置是国家发展改革委“十一五”期间立项的国家重大科技基础设施(又称大科学装置),于2008年开工建设,2010年开始“边建设、边运行”,2017年9月通过国家验收后投入全面运行。

  国家稳态强磁场实验装置有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。从结构上看,它由外“超导磁体”和内“水冷磁体”组合而成。

  此次刷新世界纪录,也为合肥研究院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。

  据悉,“强光磁集成实验设施”是由合肥研究院、安徽大学、中国科学技术大学联合向国家发展改革委申报的国家“十四五”重大科技基础设施项目,经多轮评审,列为“备选项目、择机启动”。

  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,以及一批依托微波、红外/太赫兹、可见光等系列先进波源建设的强磁场下光—磁集成测量系统。其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。

  (原载于《中国科学报》 2022-08-22 第1版 要闻)
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