揭秘我國穩態強磁場實驗裝置

地球磁場約等于0.5高斯，這0.5高斯的強度就擁有足夠的力量撬動指南針，讓指南針的指針從任何方向準確旋轉指向南方。

近日，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“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。

45.22萬高斯相當于地球磁場的90多萬倍。這項世界紀錄突破的意義是什么？有了這樣的強磁場，能夠做哪些事？

國家穩態強磁場實驗裝置混合磁體 中國科學院合肥物質科學研究院供圖

增加0.22特斯拉為何這么難？

很多人可能會問：美國國家強磁場實驗室混合磁體1999年產生了45特斯拉穩態磁場，這個世界紀錄保持了23年。合肥科學島上混合磁體產生的45.22特斯拉，僅僅是高出0.22特斯拉，增加0.22為何這么難？

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比喻，“人類目前的百米紀錄是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，都是難度極大的事。”

葉朝輝表示，“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。”

隨著科學研究的發展不斷向廣度拓展、向深度進軍，科學家們必須借助精度更高、功能更強的設施設備進行研究。可以說，重大科技基礎設施直接關系到建設科技強國的核心競爭力。

葉朝輝說，“此次國家穩態強磁場實驗裝置的混合磁體，刷新了世界紀錄，凸顯了我國大科學裝置建設的成效，相信可以促進包括物理、化學、材料、生命健康等領域的基礎研究和應用研究取得進步。”

中科院合肥研究院強磁場科學中心學術主任匡光力說，“有了這么好的實驗條件，未來希望用戶可以依托裝置產出高水平的科研成果。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。”

有了強磁場能做哪些事？

“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，成為推動重大科學發現的“利器”。

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”。

截至目前，國家穩態強磁場實驗裝置自投入運行以來，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等，成功地轉化為現實生產力。

為另一大科學裝置奠定重要基礎

縱觀全球，世界主要科技強國一直重視強磁場實驗條件建設，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。

我國穩態強磁場實驗裝置是國家發改委“十一五”期間立項的國家重大科技基礎設施（又稱“大科學裝置”），2008年開工建設，2010年開始“邊建設、邊運行”，2017年9月通過國家驗收后投入全面運行。

該裝置包括十臺磁體：五臺水冷磁體、四臺超導磁體和一臺混合磁體。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。

此次刷新世界紀錄，也為中科院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。

據悉，“強光磁集成實驗設施”是由中國科學院合肥物質科學研究院、安徽大學、中國科學技術大學聯合向國家發改委申報的國家“十四五”重大科技基礎設施項目，經多輪評審，列為“備選項目、擇機啟動”。

該設施包括55T混合磁體、36T超導磁體為代表的具有世界最高穩態磁場強度的系列磁體裝置，以及依托微波、紅外/太赫茲、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。其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。