相當于地磁的90萬倍！我國穩態強磁場實驗裝置如何產生世界最強磁場？

大家好，我是張警蕾，現任中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員、穩態強磁場實驗裝置運行部主任。我的工作主要圍繞這一“國之重器”發展測試技術，并在此基礎上開展凝聚態物理方面的研究，探索物質科學的奧秘。

圖：穩態強磁場實驗裝置——混合磁體（實物圖）。

穩態強磁場實驗裝置坐落于安徽合肥科學島，是我國為探索科學前沿而建設的大科學裝置。作為一個公共實驗平臺，它的核心使命是為物理、材料、生命科學等多學科研究提供極端強磁場環境與先進的物性測量手段。

還記得中學物理課上的通電螺線管嗎？它所產生的磁場，正是當今絕大多數磁體設計的基本原理。目前，裝置主要通過三類磁體產生穩態強磁場，它們分別是：超導磁體，水冷磁體，混合磁體。接下來，我將為大家一一揭開它們的奧秘，看看這些“磁場引擎”是如何制造出強大而穩定的磁場的。

超導磁體：可產生相當于地磁場18萬倍的磁場

物理學中一個神奇的現象：當某些特殊材料被冷卻到極低溫度時，其電阻會完全消失。科學家們利用這一特性，-使用鈮鈦合金、鈮三錫等超導材料繞制成線圈，并將其浸入液氦等超低溫環境中。一旦溫度降至“臨界點”以下，線圈便進入超導態。此時，只需通過外部電源在線圈中建立起電流，由于電阻為零，這個電流就能永不衰減地持續流動，從而產生出強大且極其穩定的磁場。

在穩態強磁場實驗裝置中，就配備了四臺這樣功能各異的超導磁體。其中，一個平臺格外引人注目——它是亞太地區首個一體化設計的9.4特斯拉（相當于地磁場的18萬倍）、400毫米口徑的磁共振成像動物研究平臺。這個磁體與我們在醫院常見的1.5T或3T磁共振設備相比，它的磁場強度高出數倍，能夠為生命科學研究提供前所未有的高分辨率數據。

不過，即便超導體擁有“零電阻”這張王牌，在極端的強電流和高磁場環境下，它也可能“失靈”，失去超導特性。因此，要想沖擊更強的磁場，科學家們還必須借助其他技術路徑，不斷突破極限。

水冷磁體：可產生相當于地磁場80萬倍的磁場

根據螺線管的基本原理，電流強度越大，所產生的磁場也越強。然而，這一規律也帶來了一個現實難題——大電流往往引發劇烈發熱，成為制約磁場進一步提升的關鍵瓶頸。在此背景下，水冷磁體應運而生。大家可以把水冷磁體理解為一臺追求極致性能的“磁場引擎”，其核心原理是利用高壓流動的純凈水進行強制冷卻，從而抵御因通入超大電流（50000安培）而產生的驚人熱量，最終激發出強度極高的磁場。

這套系統中最為關鍵的部件，是一種名為“比特片”的金屬圓盤，它由導電性極佳的銅銀合金制成，表面密布著精密設計的冷卻微孔。我們通過將成千上萬片“比特片”與絕緣薄片交替疊壓，組合成一個堅固的整體，就構成了水冷磁體的心臟。

這種疊層設計蘊含兩大精妙之處：一是高壓去離子水在孔中高速穿行，能迅速帶走強大電流產生的熱量，實現高效冷卻；二是整體結構緊密如一，具備極強的機械穩定性，足以承受磁場產生的巨大應力。

位于強磁科學中心的WM，正是這一技術的巔峰之作。2024年9月，它成功產生了高達42.02 T的穩態磁場——相當于地球磁場的80多萬倍，一舉刷新了水冷磁體領域的世界紀錄，彰顯了中國在強磁場技術上的重大突破。

圖：比特片以及穩態強磁場實驗裝置——水冷磁體（WM）

混合磁體：可產生相當于地磁場90萬倍的磁場

在追求更強磁場的科學征途上，無論是依賴強力散熱的水冷磁體，還是憑借零電阻優勢的超導磁體，都逐漸觸及了各自的性能“天花板”。那么，有沒有辦法突破這些限制，將穩態磁場強度推向新的高峰呢？答案是肯定的。

多年來，科學家們一直在探索一種能將兩者優勢融為一體的解決方案——“混合磁體”便應運而生。從結構上看，混合磁體可以理解為一個“雙核”系統：在一個能夠產生強大背景磁場的大口徑超導磁體內部，精巧地嵌套一個能貢獻額外高強度磁場的水冷磁體。

然而，它絕非兩者的簡單“1+1”組合。由于需要同時協調超導的低溫環境與水冷的高壓流體這兩套截然不同的運行機制，混合磁體在電磁設計、力學結構和工藝流程上都面臨著極為苛刻的挑戰，堪稱極限技術領域的精密藝術品。正因如此高的技術壁壘，盡管全球多個強磁場實驗室長期致力于此，至今也只有中國和美國成功研制出能夠穩定產生極高磁場的混合磁體。

圖：穩態強磁場實驗裝置——混合磁體。

2022年8月12日，由我國自主研制的混合磁體成功產生了高達45.22萬高斯的穩態磁場，這相當于地球磁場的90多萬倍。這一突破，不僅刷新了塵封23年之久的穩態磁場世界紀錄，更標志著中國在代表國家科技實力的穩態強磁場研究領域，已巍然屹立于全球科學高峰。

強磁場的用途說不完

強磁場是現代科學研究中一種至關重要的極端實驗條件。它像一把能打開物質內部世界的“鑰匙”，通過直接與材料中的電子相互作用，揭示出常規條件下無法觀測到的新現象和新規律。

在凝聚態物理的前沿探索中，強磁場就像一位高明的“指揮家”。當二維電子氣置身于強磁場中，其中的電子便會遵循特定的量子規律翩翩起舞形成精妙的量子霍爾效應。而中國科學家依托穩態強磁場實驗裝置，將這一前沿研究推向了新的維度。在高溫超導研究中，強磁場就像一把能夠精準關閉“超導電性”的開關。科學家們利用這一點，通過施加強磁場來抑制材料的超導狀態，從而讓背后隱藏的真正主角——各種奇異的量子效應——顯露真容。例如，我國科學家在鐵基超導體中的研究發現，當磁場“關掉”了超導電性后，一種名為“奇異金屬”的奇特狀態便清晰呈現出來。

在材料合成領域，強磁場還具備一項令人驚嘆的能力——它能模擬出類似太空的“近微重力”環境，從而幫助科學家在地面實現單晶材料的高速、高質量生長。我國科學家依托穩態強磁場實驗裝置開展研究，發現在強磁場環境下，銅單晶的生長速率可提升近40倍，同時晶體內部的缺陷（位錯）密度也顯著降低至原來的約三分之一。

在生命健康領域，研究發現穩態強磁場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，磁場本身還可以對多種疾病產生良好的干預效果，為神經系統和代謝系統疾病開辟了一條無創物理治療新途徑。

在藥物研發方面，基于穩態強磁場的磁共振波譜（NMR）技術就像一把“分子顯微鏡”，可以在接近生理狀態的溶液環境下精準解析生物分子的動態構像，篩選及觀測它們與藥物分子間的相互作用，從而幫助人們進行針對重大疾病的創新藥物研發，其中一些已經進入臨床試驗。

21世紀以來，科學研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學”工程。在此浪潮中，中國一批科研重器蓬勃涌現：“中國天眼”聆聽深空電磁波，“阿里計劃”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙線觀測站”探測超高能粒子，“人造太陽”攻關聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結構等等。這些大科學裝置合力拓展人類認知邊界。

本文轉載自《騰訊太空》微信公眾號

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