核心閱讀

　　日前，國家重大科技基礎設施穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置實(shí)現了重大突破，產(chǎn)生了場(chǎng)強45.22萬(wàn)高斯的穩態(tài)磁場(chǎng)，刷新了同類(lèi)型磁體保持了近23年的世界紀錄。穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗條件在物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域都有重要價(jià)值。新紀錄的誕生，表明我國擁有了目前國際領(lǐng)先的穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗條件，能夠為科研人員探索物質(zhì)世界提供有力支撐。

　　8月12日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場(chǎng)科學(xué)中心高場(chǎng)磁體運行監控中心。液晶大屏和一排排電腦屏幕上布滿(mǎn)了各種圖表和數據，實(shí)驗過(guò)程中，不時(shí)有人指著(zhù)屏幕上的數字與身邊人低聲交流，看上去與平時(shí)沒(méi)什么兩樣。可對于這個(gè)科研骨干平均年齡僅35周歲的年輕團隊來(lái)說(shuō)，他們獲得的最新數據具有重要意義。

　　當天下午，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì )宣布，該院強磁場(chǎng)科學(xué)中心研制的國家穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)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(wàn)高斯（即45.22特斯拉）的穩態(tài)磁場(chǎng)，刷新了同類(lèi)型磁體的世界紀錄，成為目前全球范圍內可支持科學(xué)研究的最高穩態(tài)磁場(chǎng)。由多位中國科學(xué)院院士、中國工程院院士組成的專(zhuān)家組鑒定認為，該成果達到國際領(lǐng)先水平。

　　穩態(tài)強磁場(chǎng)是什么，有哪些作用，新的世界紀錄又意味著(zhù)什么？

　　強磁場(chǎng)，為物質(zhì)科學(xué)研究創(chuàng )造極端實(shí)驗條件

　　我們知道，通電的螺線(xiàn)管會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流越大磁場(chǎng)越強。穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置里的磁體正是基于這樣的基本原理進(jìn)行設計的。不過(guò)隨著(zhù)電流增大，導體受到的電磁力急劇增加，磁體內的熱量超乎尋常地變大，所以要通過(guò)更加精密、穩定、先進(jìn)的材料和加工工藝，形成更加強大且穩定受控的磁場(chǎng)。

　　磁場(chǎng)強大到什么程度？地球磁場(chǎng)約等于0.5高斯，這0.5高斯的強度足以撬動(dòng)指南針，讓指針在地球上的任何方向準確旋轉指向南方，而此次打破世界紀錄的45.22萬(wàn)高斯相當于地球磁場(chǎng)的90多萬(wàn)倍。

　　“工欲善其事，必先利其器”。穩態(tài)強磁場(chǎng)是物質(zhì)科學(xué)研究需要的一種極端實(shí)驗條件，也是推動(dòng)重大科學(xué)發(fā)現的利器。在強磁場(chǎng)實(shí)驗環(huán)境下，物質(zhì)特性會(huì )受到調控，有利于科學(xué)家們發(fā)現物質(zhì)新現象、探索物質(zhì)新規律。

　　近年來(lái)，強磁場(chǎng)在很多研究領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用愈發(fā)顯現。一方面，強磁場(chǎng)可以誘導新物態(tài)。強磁場(chǎng)能有效調控材料中的電荷、自旋、軌道等，使之出現全新的量子態(tài)，從而呈現出豐富的新現象。另一方面，強磁場(chǎng)可以催生新的重大應用技術(shù)，比如強磁場(chǎng)作用下的電磁冶金技術(shù)、化學(xué)反應合成等，特別是目前在化學(xué)和生物醫學(xué)領(lǐng)域廣泛應用的結構解析和非侵入性成像——核磁共振技術(shù)。

　　由于強磁場(chǎng)在物理、化學(xué)、材料、生命健康以及工程技術(shù)等方面的綜合應用，強磁場(chǎng)極端條件在國際上被稱(chēng)為21世紀科學(xué)、工程和技術(shù)的交叉聯(lián)合體，也有人稱(chēng)它為諾貝爾獎的“搖籃”。

　　重創(chuàng )新，根據新情況改進(jìn)研究思路和技術(shù)工藝

　　我國穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置是“十一五”期間國家發(fā)改委批準立項的重大科技基礎設施，包括10臺磁體：5臺水冷磁體、4臺超導磁體和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)生最高穩態(tài)磁場(chǎng)的磁體。目前國際上有五大穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗室，分布于美國、法國、荷蘭、日本以及中國合肥科學(xué)島。

　　早在2016年，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場(chǎng)團隊就自主研制成功中心場(chǎng)強40特斯拉（即40萬(wàn)高斯）的混合磁體。1999年，美國國家強磁場(chǎng)實(shí)驗室的混合磁體產(chǎn)生了45特斯拉的穩態(tài)磁場(chǎng)，這個(gè)世界紀錄保持了近23年。此次的新紀錄超出了0.22特斯拉，看起來(lái)似乎微不足道，但進(jìn)步的背后，卻要付出無(wú)數汗水和努力。

　　中科院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng )新研究院葉朝輝院士打了一個(gè)形象的比方：“人類(lèi)目前的百米世界紀錄是9秒58，這是不是人類(lèi)的極限還無(wú)法確定，但在此基礎上哪怕縮短0.01秒，都難度極大。就像穩態(tài)強磁場(chǎng)，達到45特斯拉以后，在此基礎上每提升一點(diǎn)點(diǎn)，都需要大量的工作，不僅包括材料、技術(shù)、工藝、能源保障等方面的改進(jìn)，更需要研究和設計思路上的創(chuàng )新。”

　　在磁場(chǎng)不斷提升的過(guò)程中，科研人員一直根據新情況改進(jìn)新技術(shù)。“比如通過(guò)液壓的方式增加線(xiàn)圈比特片之間的摩擦力；把中心3個(gè)線(xiàn)圈的結構和磁場(chǎng)貢獻進(jìn)行重新優(yōu)化；使用新的絕緣材料；對水冷槽的加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)；等等。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場(chǎng)科學(xué)中心研究員陳思躍介紹。經(jīng)過(guò)5年多的技術(shù)攻關(guān)，科研團隊先后進(jìn)行了10余項技術(shù)革新，解決了一系列問(wèn)題，取得重大技術(shù)突破。

　　廣應用，在材料、生命健康等多領(lǐng)域開(kāi)展數千項前沿研究

　　2017年9月，我國穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置通過(guò)國家驗收后投入全面運行。截至目前，裝置已經(jīng)運行超過(guò)50萬(wàn)個(gè)機時(shí)，為國內外170多家單位提供了實(shí)驗條件，在物理、化學(xué)、材料、生命健康、工程技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)展了超過(guò)3000項課題的前沿研究，取得了一系列重大科技成果，比如首次發(fā)現外爾軌道導致的三維量子霍爾效應、揭示日光照射改善學(xué)習記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機制等。同時(shí)，研發(fā)裝置衍生的成果和依托裝置研究產(chǎn)生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國家Ⅰ類(lèi)抗癌創(chuàng )新靶向藥物，已實(shí)現轉化。

　　中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場(chǎng)科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力介紹，穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗條件在物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域都有重要價(jià)值。新紀錄的誕生，表明我國擁有了目前國際領(lǐng)先的穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗條件，能夠為科研人員探索物質(zhì)世界提供有力支撐。

　　世界紀錄的刷新，也為強磁場(chǎng)科學(xué)中心規劃建設的另一個(gè)大科學(xué)裝置——強光磁集成實(shí)驗設施奠定了重要基礎。匡光力介紹，該設施包括以55特斯拉混合磁體、36特斯拉超導磁體為代表的具有世界最高穩態(tài)磁場(chǎng)的系列磁體裝置，設施還將依托微波、可見(jiàn)光等系列先進(jìn)波源，建設一批強磁場(chǎng)下光—磁集成測量系統，主要科學(xué)目標是解決新型電子材料研發(fā)、高溫超導機理研究與應用、生命過(guò)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(wèn)題。

　　“不管是穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置，還是強光磁集成實(shí)驗設施，都是致力于解決國家重大需求的國之重器。對于實(shí)現高水平科技自立自強，我們充滿(mǎn)信心，更想盡一份力，希望更多用戶(hù)可以依托裝置產(chǎn)出高水平的科研成果。”匡光力說(shuō)。