我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置刷新世界紀(jì)錄
45.22萬高斯意味著什么(科技自立自強(qiáng))
本報(bào)記者 徐 靖
《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2022年08月17日 第 12 版)
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日前，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了重大突破，產(chǎn)生了場(chǎng)強(qiáng)45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，刷新了同類型磁體保持了近23年的世界紀(jì)錄。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件在物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域都有重要價(jià)值。新紀(jì)錄的誕生，表明我國(guó)擁有了目前國(guó)際領(lǐng)先的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件，能夠?yàn)榭蒲腥藛T探索物質(zhì)世界提供有力支撐。
8月12日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心高場(chǎng)磁體運(yùn)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(shí)驗(yàn)過程中，不時(shí)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(shí)沒什么兩樣。可對(duì)于這個(gè)科研骨干平均年齡僅35周歲的年輕團(tuán)隊(duì)來說，他們獲得的最新數(shù)據(jù)具有重要意義。
當(dāng)天下午，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院召開新聞發(fā)布會(huì)宣布，該院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心研制的國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)，刷新了同類型磁體的世界紀(jì)錄，成為目前全球范圍內(nèi)可支持科學(xué)研究的最高穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。由多位中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)工程院院士組成的專家組鑒定認(rèn)為，該成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)是什么，有哪些作用，新的世界紀(jì)錄又意味著什么？
強(qiáng)磁場(chǎng)，為物質(zhì)科學(xué)研究創(chuàng)造極端實(shí)驗(yàn)條件
我們知道，通電的螺線管會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流越大磁場(chǎng)越強(qiáng)。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置里的磁體正是基于這樣的基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。不過隨著電流增大，導(dǎo)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(jìn)的材料和加工工藝，形成更加強(qiáng)大且穩(wěn)定受控的磁場(chǎng)。
磁場(chǎng)強(qiáng)大到什么程度？地球磁場(chǎng)約等于0.5高斯，這0.5高斯的強(qiáng)度足以撬動(dòng)指南針，讓指針在地球上的任何方向準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)指向南方，而此次打破世界紀(jì)錄的45.22萬高斯相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的90多萬倍。
“工欲善其事，必先利其器”。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)是物質(zhì)科學(xué)研究需要的一種極端實(shí)驗(yàn)條件，也是推動(dòng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的利器。在強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，物質(zhì)特性會(huì)受到調(diào)控，有利于科學(xué)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(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)可以誘導(dǎo)新物態(tài)。強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)可以催生新的重大應(yīng)用技術(shù)，比如強(qiáng)磁場(chǎng)作用下的電磁冶金技術(shù)、化學(xué)反應(yīng)合成等，特別是目前在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(qiáng)磁場(chǎng)在物理、化學(xué)、材料、生命健康以及工程技術(shù)等方面的綜合應(yīng)用，強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件在國(guó)際上被稱為21世紀(jì)科學(xué)、工程和技術(shù)的交叉聯(lián)合體，也有人稱它為諾貝爾獎(jiǎng)的“搖籃”。
重創(chuàng)新，根據(jù)新情況改進(jìn)研究思路和技術(shù)工藝
我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是“十一五”期間國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)立項(xiàng)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，包括10臺(tái)磁體：5臺(tái)水冷磁體、4臺(tái)超導(dǎo)磁體和1臺(tái)混合磁體。其中，混合磁體是國(guó)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(chǎng)的磁體。目前國(guó)際上有五大穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，分布于美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、日本以及中國(guó)合肥科學(xué)島。
早在2016年，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)團(tuán)隊(duì)就自主研制成功中心場(chǎng)強(qiáng)40特斯拉(即40萬高斯)的混合磁體。1999年，美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的混合磁體產(chǎn)生了45特斯拉的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，這個(gè)世界紀(jì)錄保持了近23年。此次的新紀(jì)錄超出了0.22特斯拉，看起來似乎微不足道，但進(jìn)步的背后，卻要付出無數(shù)汗水和努力。
中科院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院葉朝輝院士打了一個(gè)形象的比方：“人類目前的百米世界紀(jì)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(qiáng)磁場(chǎng)，達(dá)到45特斯拉以后，在此基礎(chǔ)上每提升一點(diǎn)點(diǎn)，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(jìn)，更需要研究和設(shè)計(jì)思路上的創(chuàng)新。”
在磁場(chǎng)不斷提升的過程中，科研人員一直根據(jù)新情況改進(jìn)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(gè)線圈的結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)貢獻(xiàn)進(jìn)行重新優(yōu)化；使用新的絕緣材料；對(duì)水冷槽的加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)；等等。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)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(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了10余項(xiàng)技術(shù)革新，解決了一系列問題，取得重大技術(shù)突破。
廣應(yīng)用，在材料、生命健康等多領(lǐng)域開展數(shù)千項(xiàng)前沿研究
2017年9月，我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置通過國(guó)家驗(yàn)收后投入全面運(yùn)行。截至目前，裝置已經(jīng)運(yùn)行超過50萬個(gè)機(jī)時(shí)，為國(guó)內(nèi)外170多家單位提供了實(shí)驗(yàn)條件，在物理、化學(xué)、材料、生命健康、工程技術(shù)等領(lǐng)域開展了超過3000項(xiàng)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(dǎo)致的三維量子霍爾效應(yīng)、揭示日光照射改善學(xué)習(xí)記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機(jī)制等。同時(shí)，研發(fā)裝置衍生的成果和依托裝置研究產(chǎn)生的多項(xiàng)成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國(guó)家Ⅰ類抗癌創(chuàng)新靶向藥物，已實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。
中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力介紹，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件在物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域都有重要價(jià)值。新紀(jì)錄的誕生，表明我國(guó)擁有了目前國(guó)際領(lǐng)先的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件，能夠?yàn)榭蒲腥藛T探索物質(zhì)世界提供有力支撐。
世界紀(jì)錄的刷新，也為強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心規(guī)劃建設(shè)的另一個(gè)大科學(xué)裝置——強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)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(dǎo)磁體為代表的具有世界最高穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的系列磁體裝置，設(shè)施還將依托微波、可見光等系列先進(jìn)波源，建設(shè)一批強(qiáng)磁場(chǎng)下光—磁集成測(cè)量系統(tǒng)，主要科學(xué)目標(biāo)是解決新型電子材料研發(fā)、高溫超導(dǎo)機(jī)理研究與應(yīng)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(guó)家重大需求中的瓶頸問題。
“不管是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，還是強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)設(shè)施，都是致力于解決國(guó)家重大需求的國(guó)之重器。對(duì)于實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，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。