相當(dāng)于地磁的90萬(wàn)倍！我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如何產(chǎn)生世界最強(qiáng)磁場(chǎng)？

大家好，我是張警蕾，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心研究員、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行部主任。我的工作主要圍繞這一“國(guó)之重器”發(fā)展測(cè)試技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展凝聚態(tài)物理方面的研究，探索物質(zhì)科學(xué)的奧秘。

圖：穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置——混合磁體（實(shí)物圖）。

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置坐落于安徽合肥科學(xué)島，是我國(guó)為探索科學(xué)前沿而建設(shè)的大科學(xué)裝置。作為一個(gè)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它的核心使命是為物理、材料、生命科學(xué)等多學(xué)科研究提供極端強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境與先進(jìn)的物性測(cè)量手段。

還記得中學(xué)物理課上的通電螺線管嗎？它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，正是當(dāng)今絕大多數(shù)磁體設(shè)計(jì)的基本原理。目前，裝置主要通過(guò)三類磁體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，它們分別是：超導(dǎo)磁體，水冷磁體，混合磁體。接下來(lái)，我將為大家一一揭開(kāi)它們的奧秘，看看這些“磁場(chǎng)引擎”是如何制造出強(qiáng)大而穩(wěn)定的磁場(chǎng)的。

超導(dǎo)磁體：可產(chǎn)生相當(dāng)于地磁場(chǎng)18萬(wàn)倍的磁場(chǎng)

物理學(xué)中一個(gè)神奇的現(xiàn)象：當(dāng)某些特殊材料被冷卻到極低溫度時(shí)，其電阻會(huì)完全消失?？茖W(xué)家們利用這一特性，-使用鈮鈦合金、鈮三錫等超導(dǎo)材料繞制成線圈，并將其浸入液氦等超低溫環(huán)境中。一旦溫度降至“臨界點(diǎn)”以下，線圈便進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。此時(shí)，只需通過(guò)外部電源在線圈中建立起電流，由于電阻為零，這個(gè)電流就能永不衰減地持續(xù)流動(dòng)，從而產(chǎn)生出強(qiáng)大且極其穩(wěn)定的磁場(chǎng)。

在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置中，就配備了四臺(tái)這樣功能各異的超導(dǎo)磁體。其中，一個(gè)平臺(tái)格外引人注目——它是亞太地區(qū)首個(gè)一體化設(shè)計(jì)的9.4特斯拉（相當(dāng)于地磁場(chǎng)的18萬(wàn)倍）、400毫米口徑的磁共振成像動(dòng)物研究平臺(tái)。這個(gè)磁體與我們?cè)卺t(yī)院常見(jiàn)的1.5T或3T磁共振設(shè)備相比，它的磁場(chǎng)強(qiáng)度高出數(shù)倍，能夠?yàn)樯茖W(xué)研究提供前所未有的高分辨率數(shù)據(jù)。

不過(guò)，即便超導(dǎo)體擁有“零電阻”這張王牌，在極端的強(qiáng)電流和高磁場(chǎng)環(huán)境下，它也可能“失靈”，失去超導(dǎo)特性。因此，要想沖擊更強(qiáng)的磁場(chǎng)，科學(xué)家們還必須借助其他技術(shù)路徑，不斷突破極限。

水冷磁體：可產(chǎn)生相當(dāng)于地磁場(chǎng)80萬(wàn)倍的磁場(chǎng)

根據(jù)螺線管的基本原理，電流強(qiáng)度越大，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也越強(qiáng)。然而，這一規(guī)律也帶來(lái)了一個(gè)現(xiàn)實(shí)難題——大電流往往引發(fā)劇烈發(fā)熱，成為制約磁場(chǎng)進(jìn)一步提升的關(guān)鍵瓶頸。在此背景下，水冷磁體應(yīng)運(yùn)而生。大家可以把水冷磁體理解為一臺(tái)追求極致性能的“磁場(chǎng)引擎”，其核心原理是利用高壓流動(dòng)的純凈水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從而抵御因通入超大電流（50000安培）而產(chǎn)生的驚人熱量，最終激發(fā)出強(qiáng)度極高的磁場(chǎng)。

這套系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，是一種名為“比特片”的金屬圓盤，它由導(dǎo)電性極佳的銅銀合金制成，表面密布著精密設(shè)計(jì)的冷卻微孔。我們通過(guò)將成千上萬(wàn)片“比特片”與絕緣薄片交替疊壓，組合成一個(gè)堅(jiān)固的整體，就構(gòu)成了水冷磁體的心臟。

這種疊層設(shè)計(jì)蘊(yùn)含兩大精妙之處：一是高壓去離子水在孔中高速穿行，能迅速帶走強(qiáng)大電流產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)高效冷卻；二是整體結(jié)構(gòu)緊密如一，具備極強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，足以承受磁場(chǎng)產(chǎn)生的巨大應(yīng)力。

位于強(qiáng)磁科學(xué)中心的WM，正是這一技術(shù)的巔峰之作。2024年9月，它成功產(chǎn)生了高達(dá)42.02 T的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)——相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的80多萬(wàn)倍，一舉刷新了水冷磁體領(lǐng)域的世界紀(jì)錄，彰顯了中國(guó)在強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)上的重大突破。

圖：比特片以及穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置——水冷磁體（WM）

混合磁體：可產(chǎn)生相當(dāng)于地磁場(chǎng)90萬(wàn)倍的磁場(chǎng)

在追求更強(qiáng)磁場(chǎng)的科學(xué)征途上，無(wú)論是依賴強(qiáng)力散熱的水冷磁體，還是憑借零電阻優(yōu)勢(shì)的超導(dǎo)磁體，都逐漸觸及了各自的性能“天花板”。那么，有沒(méi)有辦法突破這些限制，將穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度推向新的高峰呢？答案是肯定的。

多年來(lái)，科學(xué)家們一直在探索一種能將兩者優(yōu)勢(shì)融為一體的解決方案——“混合磁體”便應(yīng)運(yùn)而生。從結(jié)構(gòu)上看，混合磁體可以理解為一個(gè)“雙核”系統(tǒng)：在一個(gè)能夠產(chǎn)生強(qiáng)大背景磁場(chǎng)的大口徑超導(dǎo)磁體內(nèi)部，精巧地嵌套一個(gè)能貢獻(xiàn)額外高強(qiáng)度磁場(chǎng)的水冷磁體。

然而，它絕非兩者的簡(jiǎn)單“1+1”組合。由于需要同時(shí)協(xié)調(diào)超導(dǎo)的低溫環(huán)境與水冷的高壓流體這兩套截然不同的運(yùn)行機(jī)制，混合磁體在電磁設(shè)計(jì)、力學(xué)結(jié)構(gòu)和工藝流程上都面臨著極為苛刻的挑戰(zhàn)，堪稱極限技術(shù)領(lǐng)域的精密藝術(shù)品。正因如此高的技術(shù)壁壘，盡管全球多個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期致力于此，至今也只有中國(guó)和美國(guó)成功研制出能夠穩(wěn)定產(chǎn)生極高磁場(chǎng)的混合磁體。

圖：穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置——混合磁體。

2022年8月12日，由我國(guó)自主研制的混合磁體成功產(chǎn)生了高達(dá)45.22萬(wàn)高斯的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，這相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的90多萬(wàn)倍。這一突破，不僅刷新了塵封23年之久的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)世界紀(jì)錄，更標(biāo)志著中國(guó)在代表國(guó)家科技實(shí)力的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)研究領(lǐng)域，已巍然屹立于全球科學(xué)高峰。

強(qiáng)磁場(chǎng)的用途說(shuō)不完

強(qiáng)磁場(chǎng)是現(xiàn)代科學(xué)研究中一種至關(guān)重要的極端實(shí)驗(yàn)條件。它像一把能打開(kāi)物質(zhì)內(nèi)部世界的“鑰匙”，通過(guò)直接與材料中的電子相互作用，揭示出常規(guī)條件下無(wú)法觀測(cè)到的新現(xiàn)象和新規(guī)律。

在凝聚態(tài)物理的前沿探索中，強(qiáng)磁場(chǎng)就像一位高明的“指揮家”。當(dāng)二維電子氣置身于強(qiáng)磁場(chǎng)中，其中的電子便會(huì)遵循特定的量子規(guī)律翩翩起舞形成精妙的量子霍爾效應(yīng)。而中國(guó)科學(xué)家依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，將這一前沿研究推向了新的維度。在高溫超導(dǎo)研究中，強(qiáng)磁場(chǎng)就像一把能夠精準(zhǔn)關(guān)閉“超導(dǎo)電性”的開(kāi)關(guān)。科學(xué)家們利用這一點(diǎn)，通過(guò)施加強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)抑制材料的超導(dǎo)狀態(tài)，從而讓背后隱藏的真正主角——各種奇異的量子效應(yīng)——顯露真容。例如，我國(guó)科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)體中的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)“關(guān)掉”了超導(dǎo)電性后，一種名為“奇異金屬”的奇特狀態(tài)便清晰呈現(xiàn)出來(lái)。

在材料合成領(lǐng)域，強(qiáng)磁場(chǎng)還具備一項(xiàng)令人驚嘆的能力——它能模擬出類似太空的“近微重力”環(huán)境，從而幫助科學(xué)家在地面實(shí)現(xiàn)單晶材料的高速、高質(zhì)量生長(zhǎng)。我國(guó)科學(xué)家依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，銅單晶的生長(zhǎng)速率可提升近40倍，同時(shí)晶體內(nèi)部的缺陷（位錯(cuò)）密度也顯著降低至原來(lái)的約三分之一。

在生命健康領(lǐng)域，研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)具有高穿透性和良好的生物安全性，不僅在磁共振成像（MRI）上可以大大提升分辨率，磁場(chǎng)本身還可以對(duì)多種疾病產(chǎn)生良好的干預(yù)效果，為神經(jīng)系統(tǒng)和代謝系統(tǒng)疾病開(kāi)辟了一條無(wú)創(chuàng)物理治療新途徑。

在藥物研發(fā)方面，基于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的磁共振波譜（NMR）技術(shù)就像一把“分子顯微鏡”，可以在接近生理狀態(tài)的溶液環(huán)境下精準(zhǔn)解析生物分子的動(dòng)態(tài)構(gòu)像，篩選及觀測(cè)它們與藥物分子間的相互作用，從而幫助人們進(jìn)行針對(duì)重大疾病的創(chuàng)新藥物研發(fā)，其中一些已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)。

21世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學(xué)”工程。在此浪潮中，中國(guó)一批科研重器蓬勃涌現(xiàn)：“中國(guó)天眼”聆聽(tīng)深空電磁波，“阿里計(jì)劃”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙線觀測(cè)站”探測(cè)超高能粒子，“人造太陽(yáng)”攻關(guān)聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結(jié)構(gòu)等等。這些大科學(xué)裝置合力拓展人類認(rèn)知邊界。

本文轉(zhuǎn)載自《騰訊太空》微信公眾號(hào)

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