地球磁場(chǎng)約等于0.5高斯，這0.5高斯的強(qiáng)度就擁有足夠的力量撥動(dòng)指南針，讓指南針的指針從任何方向旋轉(zhuǎn)后都準(zhǔn)確指向南方。

(資料圖)

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱合肥研究院）強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心研制的國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)，刷新了同類型磁體的世界紀(jì)錄，成為目前全球范圍內(nèi)可支持科學(xué)研究的最高穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。

45.22萬高斯相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的90多萬倍。這項(xiàng)世界紀(jì)錄的突破意味著什么？有了這樣的強(qiáng)磁場(chǎng)，能做哪些研究？《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者走進(jìn)國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置一探究竟。

增加0.22特斯拉有多難？

很多人可能會(huì)問：美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室混合磁體1999年產(chǎn)生了45特斯拉穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，這個(gè)世界紀(jì)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(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員葉朝輝打了一個(gè)形象的比喻，“人類目前的百米紀(jì)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(qiáng)磁場(chǎng)達(dá)到45特斯拉以后，在此基礎(chǔ)上每提升一點(diǎn)點(diǎn)，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(jìn)，更需要研究和設(shè)計(jì)思路上的創(chuàng)新?！?/p>

隨著科學(xué)研究不斷向廣度拓展、向深度進(jìn)軍，科學(xué)家必須借助精度更高、功能更強(qiáng)的設(shè)施設(shè)備進(jìn)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(qiáng)國(guó)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

葉朝輝說，“此次國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的混合磁體，刷新了世界紀(jì)錄，凸顯了我國(guó)大科學(xué)裝置建設(shè)的成效，相信可以促進(jìn)包括物理、化學(xué)、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(jìn)步。”

合肥研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力說：“有了這么好的實(shí)驗(yàn)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(duì)于實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，我們充滿信心，更想盡一份力?！?/p>

有了強(qiáng)磁場(chǎng)能做哪些事？

“工欲善其事，必先利其器。”穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)是物質(zhì)科學(xué)研究需要的一種極端實(shí)驗(yàn)條件，將成為推動(dòng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的“利器”。

近年來，強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)可以催生新的重大應(yīng)用技術(shù)，特別是目前在化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)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(qiáng)磁場(chǎng)在物理、化學(xué)、材料、生命健康以及工程技術(shù)等方面的綜合應(yīng)用，強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件在國(guó)際上被稱為21世紀(jì)科學(xué)、工程和技術(shù)的交叉聯(lián)合體，也有人稱它為諾貝爾獎(jiǎng)的“搖籃”。

國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置自投入運(yùn)行以來，截至目前已經(jīng)運(yùn)行超過50萬個(gè)機(jī)時(shí)，為國(guó)內(nèi)外170多家單位提供了實(shí)驗(yàn)條件，在物理、化學(xué)、材料、生命健康、工程技術(shù)等領(lǐng)域開展了超過3000項(xiàng)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(xué)習(xí)記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機(jī)制等。

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

為另一大科學(xué)裝置奠定重要基礎(chǔ)

縱觀全球，世界主要科技強(qiáng)國(guó)一直很重視強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)。目前國(guó)際上有五大穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，分布于美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、日本以及中國(guó)。

我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是國(guó)家發(fā)展改革委“十一五”期間立項(xiàng)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（又稱大科學(xué)裝置），于2008年開工建設(shè)，2010年開始“邊建設(shè)、邊運(yùn)行”，2017年9月通過國(guó)家驗(yàn)收后投入全面運(yùn)行。

國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置有10臺(tái)磁體：5臺(tái)水冷磁體、4臺(tái)超導(dǎo)磁體和1臺(tái)混合磁體。其中，混合磁體是國(guó)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(chǎng)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(jì)錄，也為合肥研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心規(guī)劃建設(shè)的另一個(gè)大科學(xué)裝置——“強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)設(shè)施”奠定了重要基礎(chǔ)。

據(jù)悉，“強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)設(shè)施”是由合肥研究院、安徽大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合向國(guó)家發(fā)展改革委申報(bào)的國(guó)家“十四五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，經(jīng)多輪評(píng)審，列為“備選項(xiàng)目、擇機(jī)啟動(dòng)”。

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(chǎng)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(jìn)波源建設(shè)的強(qiáng)磁場(chǎng)下光—磁集成測(cè)量系統(tǒng)。其主要科學(xué)目標(biāo)是解決新型電子材料研發(fā)、高溫超導(dǎo)機(jī)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(guó)家重大需求中的瓶頸問題。王敏

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-08-22 第1版 要聞)