國家穩態強磁場實驗裝置刷新世界紀錄

文／本刊記者 吳長鋒 張愛華

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研制的國家穩態強磁場實驗裝置，再攀高峰：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，刷新同類型磁體世界紀錄，成為目前全球范圍內可支持科學研究的最高穩態磁場。

在實驗過程中，磁場能使物質的特性發生改變，磁場越強改變的力度越大。在越強的磁場條件下，實驗研究可探索的范圍也越大，科學家新發現的機遇就越多。世界科技強國一直重視強磁場實驗條件建設，目前國際上五大穩態強磁場實驗室分布在美國、法國、荷蘭、日本、中國。此次混合磁體產生45.22萬高斯的穩態磁場打破世界紀錄，原世界紀錄是1999年由美國國家強磁場實驗室創造，其混合磁體產生45萬高斯，至今已保持紀錄23年之久。

中科院院士、中科院精密測量科學與技術創新研究院研究員葉朝輝表示，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。中科院合肥研究院強磁場科學中心學術主任、強磁場安徽省實驗室主任、強光磁預研項目負責人匡光力介紹說，磁場其實與電場類似，是一種人眼雖不能直接看見，但卻真實存在的特殊物質。地球本身就會產生磁場，其強度較弱，大約只有0.5高斯，但也足夠讓指南針轉動。而穩態強磁場則比地球磁場高許多，這次產生的45.22萬高斯，相當于地球磁場的90多萬倍。

雖然能夠產生強磁場，但是這個裝置本身非常安全，穩態磁場傳播的范圍很小，在10米左右的距離就能衰減到安全值。這套裝置在運行時，人也不必在附近，所有的數據采集都能顯示在控制室的大屏幕上。

國家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（又稱“大科學裝置”），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，從結構上看，它由外“超導磁體”和內“水冷磁體”組合而成。

這套混合磁體裝置，完全是由中國科學家自己設計研制，其中超導技術更是從零基礎開始，在大量的設計預研工作基礎上，在材料選擇、加工工藝等多個方面攻克了一系列難題，最終成功制造出了這樣一個大型的創紀錄的混合磁體。

近年來，強磁場作為一種極端條件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，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，特別是目前在化學、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”。

國家穩態強磁場實驗裝置自投運以來，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，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。與此同時，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等，已成功轉化為現實生產力。

此次穩態強磁場大科學裝置刷新世界紀錄，也為合肥研究院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。“強光磁集成實驗設施”的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。