科學家提出平頂脈沖強磁場核磁共振譜儀方案

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強磁場是支撐物理、化學、材料等領域前沿基礎研究的重要實驗條件，能夠影響物質的電子態和量子化，進而探測特殊體系的奇異性質，且磁場強度越高，科學發現機遇越大。《中國科學報》記者從華中科技大學獲悉，校國家脈沖強磁場科學中心韓小濤教授團隊在平頂脈沖強磁場核磁共振譜儀技術方面取得重要進展，相關成果近日以兩篇論文的形式，在線刊發在國際期刊《IEEE儀器與測量匯刊》上。

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“場路耦合-線性反饋”平頂脈沖強磁場。受訪者供圖

目前，國際上非破壞性脈沖磁體可實現的最高磁場已達100特斯拉（T），但由于其固有的時變性與暫態性，難以開展核磁共振（NMR）、比熱、I-V曲線等磁場需穩定持續一定時長條件的高精度測量實驗，亟需發展新的強磁場技術。平頂脈沖磁場是一種特殊的時變磁場，兼具磁場強度高和穩定度高的雙重優點，使得以前只能在穩態強磁場下的科學測試成為可能，也為強磁場科學研究提供了一種新的磁場環境。

以NMR為例，其在凝聚態物理、生命科學以及醫學成像等諸多領域具有廣泛應用，是解析微觀結構的主要手段之一。脈沖強磁場核磁共振測量（PMF-NMR）技術具有脈沖強磁場物性調控能力和核磁共振原子級微觀探測能力，有望為發現新現象、提出新原理和合成新材料帶來新的機遇，但現有PMF-NMR都是在變化磁場下開展的測量，存在場頻精確同步共振困難、信號譜線畸變嚴重、商用NMR譜儀難以滿足高頻寬帶應用需求等問題，難以有效開展相應科學研究。

在此背景下，韓小濤團隊依托脈沖強磁場實驗裝置，進一步發展了平頂脈沖強磁場技術，在國際上率先提出平頂脈沖強磁場核磁共振譜儀方案（FTPMF-NMR），發明了“場路耦合-線性反饋”磁場波形調控方法，解決了脈沖強磁場非線性時變高穩定度波形調控難題，成功實現了峰值45.199T、平頂持續時間8ms、平頂區間磁場波動±5mT（穩定度約110ppm）的高穩定度平頂脈沖磁場；團隊自主研制了NMR譜儀射頻鏈路關鍵器件與分層控制交互程序，實現收/發頻率1GHz、實時帶寬20MHz、雙端隔離度100dB的高頻寬帶模塊化NMR譜儀。

團隊在此基礎上搭建了相應科學實驗平臺，并在40T平頂磁場下實現了93Nb核的NMR信號測量，為超強脈沖磁場下的NMR科學測量奠定了堅實基礎。FTPMF-NMR技術將為強磁場下前沿科學研究提供新的測試手段，支撐高溫超導機理、重費米子材料的量子臨界點、量子自旋系統的基態和相變等前沿基礎研究，對于解決相關領域重大科學問題具有重要意義。

近年來，依托脈沖強磁場實驗裝置，韓小濤團隊積極致力于平頂脈沖強磁場調控技術及其相關實驗測試系統研究，實現了23.370T/100ms/64ppm、45.199T/8ms/110ppm等平頂脈沖強磁場，并搭建了平頂脈沖強磁場下的NMR、I-V曲線等物性測量系統，為相關前沿基礎科學研究提供獨特實驗平臺。

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