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我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置刷新世界紀錄 45.22萬高斯意味著什么

發(fā)布時間:2022-08-17 09:52:00來源: 人民日報

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  日前,國家重大科技基礎設施穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置實現(xiàn)了重大突破,產生了場強45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場,刷新了同類型磁體保持了近23年的世界紀錄。穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件在物理、化學、材料、生命科學等多學科領域都有重要價值。新紀錄的誕生,表明我國擁有了目前國際領先的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件,能夠為科研人員探索物質世界提供有力支撐。

  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高場磁體運行監(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),實驗過程中,不時有人指著屏幕上的數(shù)字與身邊人低聲交流,看上去與平時沒什么兩樣??蓪τ谶@個科研骨干平均年齡僅35周歲的年輕團隊來說,他們獲得的最新數(shù)據(jù)具有重要意義。

  當天下午,中科院合肥物質科學研究院召開新聞發(fā)布會宣布,該院強磁場科學中心研制的國家穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)磁場。由多位中國科學院院士、中國工程院院士組成的專家組鑒定認為,該成果達到國際領先水平。

  穩(wěn)態(tài)強磁場是什么,有哪些作用,新的世界紀錄又意味著什么?

  強磁場,為物質科學研究創(chuàng)造極端實驗條件

  我們知道,通電的螺線管會產生磁場,電流越大磁場越強。穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置里的磁體正是基于這樣的基本原理進行設計的。不過隨著電流增大,導體受到的電磁力急劇增加,磁體內的熱量超乎尋常地變大,所以要通過更加精密、穩(wěn)定、先進的材料和加工工藝,形成更加強大且穩(wěn)定受控的磁場。

  磁場強大到什么程度?地球磁場約等于0.5高斯,這0.5高斯的強度足以撬動指南針,讓指針在地球上的任何方向準確旋轉指向南方,而此次打破世界紀錄的45.22萬高斯相當于地球磁場的90多萬倍。

  “工欲善其事,必先利其器”。穩(wěn)態(tài)強磁場是物質科學研究需要的一種極端實驗條件,也是推動重大科學發(fā)現(xiàn)的利器。在強磁場實驗環(huán)境下,物質特性會受到調控,有利于科學家們發(fā)現(xiàn)物質新現(xiàn)象、探索物質新規(guī)律。

  近年來,強磁場在很多研究領域發(fā)揮的重要作用愈發(fā)顯現(xiàn)。一方面,強磁場可以誘導新物態(tài)。強磁場能有效調控材料中的電荷、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,強磁場可以催生新的重大應用技術,比如強磁場作用下的電磁冶金技術、化學反應合成等,特別是目前在化學和生物醫(yī)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(lián)合體,也有人稱它為諾貝爾獎的“搖籃”。

  重創(chuàng)新,根據(jù)新情況改進研究思路和技術工藝

  我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置是“十一五”期間國家發(fā)改委批準立項的重大科技基礎設施,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(wěn)態(tài)磁場的磁體。目前國際上有五大穩(wěn)態(tài)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。

  早在2016年,中科院合肥物質科學研究院強磁場團隊就自主研制成功中心場強40特斯拉(即40萬高斯)的混合磁體。1999年,美國國家強磁場實驗室的混合磁體產生了45特斯拉的穩(wěn)態(tài)磁場,這個世界紀錄保持了近23年。此次的新紀錄超出了0.22特斯拉,看起來似乎微不足道,但進步的背后,卻要付出無數(shù)汗水和努力。

  中科院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院葉朝輝院士打了一個形象的比方:“人類目前的百米世界紀錄是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,都難度極大。就像穩(wěn)態(tài)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(chuàng)新?!?/p>

  在磁場不斷提升的過程中,科研人員一直根據(jù)新情況改進新技術?!氨热缤ㄟ^液壓的方式增加線圈比特片之間的摩擦力;把中心3個線圈的結構和磁場貢獻進行重新優(yōu)化;使用新的絕緣材料;對水冷槽的加工工藝進行了改進;等等。”中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員陳思躍介紹。經過5年多的技術攻關,科研團隊先后進行了10余項技術革新,解決了一系列問題,取得重大技術突破。

  廣應用,在材料、生命健康等多領域開展數(shù)千項前沿研究

  2017年9月,我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置通過國家驗收后投入全面運行。截至目前,裝置已經運行超過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,比如首次發(fā)現(xiàn)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(huán)路機制等。同時,研發(fā)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(chuàng)新靶向藥物,已實現(xiàn)轉化。

  中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心學術主任匡光力介紹,穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件在物理、化學、材料、生命科學等多學科領域都有重要價值。新紀錄的誕生,表明我國擁有了目前國際領先的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件,能夠為科研人員探索物質世界提供有力支撐。

  世界紀錄的刷新,也為強磁場科學中心規(guī)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。匡光力介紹,該設施包括以55特斯拉混合磁體、36特斯拉超導磁體為代表的具有世界最高穩(wěn)態(tài)磁場的系列磁體裝置,設施還將依托微波、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(tǒng),主要科學目標是解決新型電子材料研發(fā)、高溫超導機理研究與應用、生命過程本質探索、新藥創(chuàng)制以及特種功能材料制備等國家重大需求中的瓶頸問題。

  “不管是穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置,還是強光磁集成實驗設施,都是致力于解決國家重大需求的國之重器。對于實現(xiàn)高水平科技自立自強,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出高水平的科研成果。”匡光力說。

(責編:李雨潼)

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