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撥動指南針，讓指南針的指針從任何方向旋轉(zhuǎn)后都準確指向南方。

(資料圖)

近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院（以下簡稱合肥研究院）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(chǎn)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(nèi)可支持科學研究的最高穩(wěn)態(tài)磁場。

45.22萬高斯相當于地球磁場的90多萬倍。這項世界紀錄的突破意味著什么？有了這樣的強磁場，能做哪些研究？《中國科學報》記者走進國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置一探究竟。

增加0.22特斯拉有多難？

很多人可能會問：美國國家強磁場實驗室混合磁體1999年產(chǎn)生了45特斯拉穩(wěn)態(tài)磁場，這個世界紀錄保持了23年。合肥研究院混合磁體產(chǎn)生的45.22特斯拉，僅僅高出0.22特斯拉。增加0.22特斯拉為何這么難？

中科院院士、中科院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員葉朝輝打了一個形象的比喻，“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(chǔ)上哪怕縮短0.01秒，都是難度極大的事?！?/p>

葉朝輝表示，“就像穩(wěn)態(tài)強磁場達到45特斯拉以后，在此基礎(chǔ)上每提升一點點，都需要大量工作，不僅包括材料、技術(shù)、工藝、能源保障等方面的改進，更需要研究和設(shè)計思路上的創(chuàng)新?！?/p>

隨著科學研究不斷向廣度拓展、向深度進軍，科學家必須借助精度更高、功能更強的設(shè)施設(shè)備進行研究?？梢哉f，重大科技基礎(chǔ)設(shè)施直接關(guān)系到建設(shè)科技強國的核心競爭力。

葉朝輝說，“此次國家穩(wěn)態(tài)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(shè)的成效，相信可以促進包括物理、化學、材料、生命健康等領(lǐng)域在內(nèi)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究取得進步?！?/p>

合肥研究院強磁場科學中心學術(shù)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(chǎn)出高水平的科研成果。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?！?/p>

有了強磁場能做哪些事？

“工欲善其事，必先利其器?！狈€(wěn)態(tài)強磁場是物質(zhì)科學研究需要的一種極端實驗條件，將成為推動重大科學發(fā)現(xiàn)的“利器”。

近年來，強磁場作為一種極端條件在很多研究領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用愈發(fā)顯現(xiàn)。

一方面，強磁場可以誘導(dǎo)新物態(tài)，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，強磁場可以催生新的重大應(yīng)用技術(shù)，特別是目前在化學、生物醫(yī)學領(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)。

由于強磁場在物理、化學、材料、生命健康以及工程技術(shù)等方面的綜合應(yīng)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(shù)的交叉聯(lián)合體，也有人稱它為諾貝爾獎的“搖籃”。

國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置自投入運行以來，截至目前已經(jīng)運行超過50萬個機時，為國內(nèi)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(shù)等領(lǐng)域開展了超過3000項課題的前沿研究，取得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習記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機制等。

與此同時，研發(fā)裝置衍生的成果和依托裝置研究產(chǎn)生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國家Ⅰ類抗癌創(chuàng)新靶向藥物等，成功轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。

為另一大科學裝置奠定重要基礎(chǔ)

縱觀全球，世界主要科技強國一直很重視強磁場實驗條件建設(shè)。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。

我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置是國家發(fā)展改革委“十一五”期間立項的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（又稱大科學裝置），于2008年開工建設(shè)，2010年開始“邊建設(shè)、邊運行”，2017年9月通過國家驗收后投入全面運行。

國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置有10臺磁體：5臺水冷磁體、4臺超導(dǎo)磁體和1臺混合磁體。其中，混合磁體是國際上技術(shù)難度最高的磁體，也是能夠產(chǎn)生最高穩(wěn)態(tài)磁場的磁體。從結(jié)構(gòu)上看，它由外“超導(dǎo)磁體”和內(nèi)“水冷磁體”組合而成。

此次刷新世界紀錄，也為合肥研究院強磁場科學中心規(guī)劃建設(shè)的另一個大科學裝置——“強光磁集成實驗設(shè)施”奠定了重要基礎(chǔ)。

據(jù)悉，“強光磁集成實驗設(shè)施”是由合肥研究院、安徽大學、中國科學技術(shù)大學聯(lián)合向國家發(fā)展改革委申報的國家“十四五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，經(jīng)多輪評審，列為“備選項目、擇機啟動”。

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)磁場的系列磁體裝置，以及一批依托微波、紅外/太赫茲、可見光等系列先進波源建設(shè)的強磁場下光—磁集成測量系統(tǒng)。其主要科學目標是解決新型電子材料研發(fā)、高溫超導(dǎo)機理研究與應(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家重大需求中的瓶頸問題。王敏

《中國科學報》 (2022-08-22 第1版 要聞)