国家稳态强磁场实验装置刷新世界纪录

文／本刊记者 吴长锋 张爱华

8月12日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研制的国家稳态强磁场实验装置，再攀高峰：混合磁体（磁体口径32毫米）产生了45.22万高斯（即45.22特斯拉）的稳态磁场，刷新同类型磁体世界纪录，成为目前全球范围内可支持科学研究的最高稳态磁场。

在实验过程中，磁场能使物质的特性发生改变，磁场越强改变的力度越大。在越强的磁场条件下，实验研究可探索的范围也越大，科学家新发现的机遇就越多。世界科技强国一直重视强磁场实验条件建设，目前国际上五大稳态强磁场实验室分布在美国、法国、荷兰、日本、中国。此次混合磁体产生45.22万高斯的稳态磁场打破世界纪录，原世界纪录是1999年由美国国家强磁场实验室创造，其混合磁体产生45万高斯，至今已保持纪录23年之久。

中科院院士、中科院精密测量科学与技术创新研究院研究员叶朝辉表示，稳态强磁场达到45特斯拉以后，在此基础上每提升一点点，都需要大量工作，不仅包括材料、技术、工艺、能源保障等方面的改进，更需要研究和设计思路上的创新。中科院合肥研究院强磁场科学中心学术主任、强磁场安徽省实验室主任、强光磁预研项目负责人匡光力介绍说，磁场其实与电场类似，是一种人眼虽不能直接看见，但却真实存在的特殊物质。地球本身就会产生磁场，其强度较弱，大约只有0.5高斯，但也足够让指南针转动。而稳态强磁场则比地球磁场高许多，这次产生的45.22万高斯，相当于地球磁场的90多万倍。

虽然能够产生强磁场，但是这个装置本身非常安全，稳态磁场传播的范围很小，在10米左右的距离就能衰减到安全值。这套装置在运行时，人也不必在附近，所有的数据采集都能显示在控制室的大屏幕上。

国家稳态强磁场实验装置是“十一五”期间国家发改委批准立项的重大科技基础设施（又称“大科学装置”），包括10台磁体、5台水冷磁体、4台超导磁体和1台混合磁体。其中，混合磁体是国际上技术难度最高的磁体，也是能够产生最高稳态磁场的磁体，从结构上看，它由外“超导磁体”和内“水冷磁体”组合而成。

这套混合磁体装置，完全是由中国科学家自己设计研制，其中超导技术更是从零基础开始，在大量的设计预研工作基础上，在材料选择、加工工艺等多个方面攻克了一系列难题，最终成功制造出了这样一个大型的创纪录的混合磁体。

近年来，强磁场作为一种极端条件在很多研究领域发挥的重要作用愈发显现：一方面，强磁场可以诱导新物态，有效调控材料中的电荷、自旋、轨道等，使之出现全新的量子态，从而呈现出丰富的新现象；另一方面，强磁场可以催生新的重大应用技术，特别是目前在化学、生物医学领域广泛应用的结构解析和非侵入性成像——核磁共振技术。由于强磁场在物理、化学、材料、生命健康以及工程技术等方面的综合应用，强磁场极端条件在国际上被称为21世纪科学、工程和技术的交叉联合体，也有人称它为诺贝尔奖的“摇篮”。

国家稳态强磁场实验装置自投运以来，已经运行超过50万个机时，为国内外170多家单位提供了实验条件，在物理、化学、材料、生命健康、工程技术等领域开展了超过3000项课题的前沿研究，取得了一系列重大科技成果，如首次发现外尔轨道导致的三维量子霍尔效应、揭示日光照射改善学习记忆的分子及神经环路机制。与此同时，研发装置衍生的成果和依托装置研究产生的多项成果，如组合扫描探针显微技术、国家Ⅰ类抗癌创新靶向药物等，已成功转化为现实生产力。

此次稳态强磁场大科学装置刷新世界纪录，也为合肥研究院强磁场科学中心规划建设的另一个大科学装置——“强光磁集成实验设施”奠定了重要基础。“强光磁集成实验设施”的主要科学目标是解决新型电子材料研发、高温超导机理研究与应用、生命过程本质探索、新药创制，以及特种功能材料制备等国家重大需求中的瓶颈问题。