中国新创造的世界纪录——地球磁场90多万倍的稳态强磁场
2022/8/25 7:00:00 科学大院
本篇文章正文共2435字
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编者按：
产生尽可能高的磁场，是世界各国强磁场实验室首要的科学任务。因为磁场越强，对科学研究起到的作用就会越大。在实验过程中，磁场能使物质的特性发生改变，而磁场越强，能够带给我们的“惊喜”就越多。
与此同时，在越强的磁场条件下，科学研究可探索的范围也会变大，科学家获得新发现的机遇也就越多。另外，有些物质的现象需要在极高的磁场条件下才会出现。因此有了稳态强磁场，才更有可能发现新现象和新规律，获得重大原创的成果。
最近，合肥科学岛稳态强磁场刷新世界纪录的新闻，受到广泛关注。
提起强磁场，你是不是会想起电影大片角色“万磁王”的神奇威力并沉浸其中？
电影里的“万磁王”
图片来源：《X战警：逆转未来》
其实强磁场及其相关应用早已深入我们的日常生活，例如：医院里的磁共振成像(英文简称MRI)。在进行MRI扫描检查时，患者需要换上病号服，摘掉首饰、手表等金属配饰，戴上耳塞，接着进入一个黑暗、管状的空间，在这里待上20分钟甚至1个小时。这项检查现如今在医学诊断中，发挥着不可或缺的作用。
目前医院里磁共振检查的磁场一般是1.5T到3T(T为特斯拉，磁感应强度单位)，而合肥科学岛稳态强磁场实验装置能够产生的磁场比医院MRI的磁场要高得多。下面就跟着大院er来看看吧~
想实现更强磁场，可以这么做!
在科学岛强磁场科学中心，科学家们主要通过三种方式来实现强磁场。这就要提到稳态强磁场实验装置里的十台磁体，它们主要分为三种类型，分别是：五台水冷磁体、四台超导磁体和一台混合磁体。
中学时代，我们就知道通电的螺线管会产生磁场，电流越大磁场越强。稳态强磁场实验装置里的水冷磁体正是基于这样的基本原理进行设计的。水冷磁体是用高速流动的去离子水去冷却导电片的磁体，这里使用的是一种名为“比特片”的导电片。
随着电流增大，导体受到的电磁力急剧增加，磁体内的热量超乎寻常地变大，所以要用去离子水去迅速带走热量。更为重要的是，科学家们通过更加复杂、更加精密、更加稳定、更加先进的材料和加工工艺去设计制造水冷磁体的“心脏”——比特片，才能形成更加强大且稳定受控的磁场。
稳态强磁场实验装置的五台水冷磁体，有三台保持着单项世界纪录，目前单个水冷磁体最高可以实现38.5特斯拉的稳态磁场。
稳态强磁场实验装置里的水冷磁体
图片来源：作者
再来聊聊超导磁体。超导是一种非常有趣的物理现象，在低温条件的帮助下，处于超导态的导体电阻将消失。你可以这样想象：在超导态，超导材料的原子被局限于电子旅途之外，所以超导电子可以在宽阔舒适的大街上畅通无阻地前行。
在强磁场科学中心，科研人员需要借助液氮和液氦去冷却磁体以实现超导状态。稳态强磁场实验装置拥有四台不同口径、不同用途的超导磁体，比如亚太地区首个一体化的9.4特斯拉、400mm口径的磁共振成像-动物实验室研究平台，它的磁场比文章开头提到的去医院做磁共振检查的磁场大多了。
稳态强磁场实验装置里的超导磁体
图片来源：作者
不论是水冷磁体还是超导磁体，都有各自的局限，那么如果想要获得更强的磁场，有什么方法呢？科学家们研究多年，想把两者结合起来，混合磁体便应运而生。所谓混合磁体，从结构上看就是由外“超导磁体”和内“水冷磁体”组合而成的磁体。
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。以此次合肥科学岛稳态强磁场实验装置混合磁体产生的45.22特斯拉世界纪录为例：地球磁场约等于0.5高斯(1特斯拉=10000高斯)，这0.5高斯的强度就拥有足够的力量撬动指南针，让指南针的指针从任何方向准确旋转指向南方，而此次打破世界纪录的45.22万高斯相当于地球磁场的90多万倍。
有了强磁场，能做哪些事？
“工欲善其事，必先利其器”，稳态强磁场是物质科学研究需要的一种极端实验条件，成为推动重大科学发现的“利器”。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。强磁场可以有效地调控材料中的电荷、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。例如整数和分数量子霍尔效应的发现就是通过强磁场揭示出来的；再譬如在一些重费米子和低维有机导体中，强磁场可以诱导出超导序、电荷密度波序以及关联电子系统中的系列量子相变行为等。
科研人员正借助稳态强磁场实验装置做实验
图片来源：作者
另一方面，强磁场可以催生新的重大应用技术，例如强磁场作用下的电磁冶金技术、化学反应合成等，特别是目前在化学和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”。纵观全球，世界主要科技强国一直重视强磁场实验条件建设，目前国际上有五大稳态强磁场实验室，分布于美国、法国、荷兰、日本以及中国合肥科学岛。
8月12日，稳态强磁场实验装置混合磁体刷新世界纪录
图片来源：作者
我国稳态强磁场实验装置2008年开工建设，2010年开始“边建设、边运行”，2017年9月通过国家验收后投入全面运行。
截至目前，装置已经运行超过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，等等。
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，成功地转化为现实生产力。
增加0.22特斯拉有如百米赛跑再快0.01秒
最后，很多人可能会问：美国国家强磁场实验室混合磁体1999年产生了45特斯拉稳态磁场，这个世界纪录保持了23年，科学岛上混合磁体产生的45.22特斯拉，仅仅是高出0.22特斯拉，增加0.22为何这么难？
借用中科院精密测量科学与技术创新研究院叶朝辉院士打的形象比方，他说，人类目前的百米纪录是9秒58，这是不是人类的极限还无法确定，但在此基础上哪怕缩短0.01秒，都是难度极大的事。
“就像稳态强磁场，达到45特斯拉以后，在此基础上每提升一点点，都需要大量的工作，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，这就是核心竞争力。”
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