觀察：探秘穩(wěn)態(tài)強磁場

地球磁場約等于0.5高斯，這0.5高斯的強度就擁有足夠的力量撥動指南針，使指南針的指針從任何方向旋轉(zhuǎn)后都準確地再指向南方。

8月12日，中科院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研制的國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置再攀“科技高峰”，其混合磁體產(chǎn)生了45.22萬高斯（即45.22特斯拉，1特斯拉＝10000高斯）的穩(wěn)態(tài)磁場，刷新了同類型磁體的世界紀錄，成為目前全球范圍內(nèi)可支持科學研究的最高穩(wěn)態(tài)磁場。45.22萬高斯相當于地球磁場的90多萬倍。這項世界紀錄的突破意味著什么？有了這樣的強磁場，能做哪些研究？讓我們走進國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置一探究竟。

45.22萬高斯，這個世界紀錄來之不易

(資料圖)

走進合肥“科學島”強磁場科學中心，6米高的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置引人注目。二樓控制室內(nèi)，大屏幕顯示著各項參數(shù)，在這里，任何細微的變化都處于科研人員的監(jiān)控之下。

國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置是 “十一五”期間國家發(fā)改委批準立項的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，共包括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(wěn)態(tài)磁場的磁體，從結(jié)構(gòu)上看，它由外“超導磁體”和內(nèi)“水冷磁體”組合而成。 2016年，強磁場團隊自主研制成功中心場強達40萬高斯的混合磁體，一舉躋身世界第二。在合肥綜合性國家科學中心強光磁預研項目的支持下，經(jīng)過5年多緊張的技術(shù)攻關(guān)，強磁場團隊創(chuàng)新了磁體結(jié)構(gòu)、研發(fā)了新材料、優(yōu)化了制造工藝，終于取得重大技術(shù)突破。此次國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的混合磁體在26.9兆瓦的電源功率下產(chǎn)生45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)強磁場，達到國際領(lǐng)先水平，成為我國科學實驗極端條件建設(shè)乃至世界強磁場技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。

很多人可能會問：美國國家強磁場實驗室混合磁體1999年產(chǎn)生了45特斯拉穩(wěn)態(tài)磁場，這個世界紀錄保持了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、中科院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員葉朝輝用一個形象的比喻進行說明：“人類目前的百米紀錄是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。同樣，穩(wěn)態(tài)強磁場達到45特斯拉以后，在此基礎(chǔ)上每提升一點點，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，更需要研究和設(shè)計思路上的創(chuàng)新。 ”

隨著科學研究不斷向廣度拓展、向深度進軍，科學家必須借助精度更高、功能更強的設(shè)施設(shè)備進行研究?？梢哉f，重大科技基礎(chǔ)設(shè)施直接關(guān)系到建設(shè)科技強國的核心競爭力。葉朝輝說：“此次國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的混合磁體刷新世界紀錄，凸顯了我國大科學裝置建設(shè)的成效，相信可以促進包括物理、化學、材料、生命健康等領(lǐng)域在內(nèi)的基礎(chǔ)研究和應用研究取得進步。 ”

強磁場，現(xiàn)代科學實驗最重要極端條件之一

強磁場與極低溫、超高壓一樣，被列為現(xiàn)代科學實驗最重要的極端條件之一，物質(zhì)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)在強磁場環(huán)境下都可能發(fā)生變化，呈現(xiàn)出多樣的物理、化學現(xiàn)象和效應。數(shù)十年來，世界各國學者在此領(lǐng)域的科學研究一直非?；钴S，取得了大批原創(chuàng)性重大成果，并推動了相關(guān)新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。自1913年以來，19項與強磁場有關(guān)的成果獲得諾貝爾獎，僅近20年就有8項。發(fā)達國家競相將穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置作為重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點。

我國要在生命科學、醫(yī)學、功能材料和器件研究方面趕上世界先進水平，迫切需要盡快建立世界水平的強磁場實驗裝置。近年來，強磁場作為一種極端條件在很多研究領(lǐng)域的重要作用愈發(fā)顯現(xiàn)。一方面，強磁場可以誘導新物態(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，強磁場可以催生新的重大應用技術(shù)，特別是目前在化學、生物醫(yī)學領(lǐng)域廣泛應用的結(jié)構(gòu)解析和非侵入性成像——核磁共振技術(shù)。

國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置自投入運行以來，截至目前已運行超50萬個機時，為國內(nèi)外170多家單位提供了實驗條件，在物理、化學、材料、生命健康、工程技術(shù)等領(lǐng)域開展了超過3000項課題的前沿研究，取得一系列重大科技成果。比如，首次發(fā)現(xiàn)外爾軌道導致的三維量子霍爾效應，揭示日光照射改善學習記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機制等。與此同時，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類抗癌創(chuàng)新靶向藥物等，成功轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。

“國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的混合磁體產(chǎn)生世界最高的穩(wěn)態(tài)磁場，有力提升了支撐科學家們開展物質(zhì)科學研究的實驗條件，將在低功耗電子材料等研究中發(fā)揮不可或缺的關(guān)鍵作用。 ”中科院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心學術(shù)主任、強磁場安徽省實驗室主任、強光磁預研項目負責人匡光力表示，隨著混合磁體產(chǎn)生的磁場強度的提高，其開放共享水平、用戶服務水平也將得到大幅提升，必將成為支撐我國科技創(chuàng)新的一大“利器”。

“沿途下蛋”，強磁場實驗裝置衍生多項科技成果

強磁場對于生命科學研究有重要作用。比如在醫(yī)院里，磁共振成像就利用了強磁場技術(shù)。再比如，科研人員發(fā)現(xiàn)27特斯拉穩(wěn)態(tài)強磁場影響腫瘤細胞有絲分裂過程中紡錘體的取向。細胞有絲分裂是親代細胞將遺傳物質(zhì)等精確平均地分配到兩個子代細胞的過程，是決定細胞命運的關(guān)鍵步驟，對維持細胞的正常生理功能和生物體的生長發(fā)育至關(guān)重要，更是腫瘤細胞惡性繁殖的關(guān)鍵。還有，強磁場是一種獨特的條件，可以改變材料，甚至創(chuàng)造新材料。比如強磁場可以幫助硅的提純，實現(xiàn)更高等級的單晶硅材料，衍生更好的電子產(chǎn)品，而硅是現(xiàn)代半導體電子工業(yè)的核心。又比如，強磁場可以幫助高溫超導材料的研發(fā)。超導狀態(tài)下的材料電阻可以忽略，這意味著電力的輸送將不會有任何損耗。而目前超導都是低溫狀態(tài)下實現(xiàn)的，科學家正在努力提高超導材料的臨界溫度，強磁場是這一實用價值極高的研究中不可或缺的手段。

近年來，科研人員依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置已產(chǎn)生多項重大科技成果。裝置用戶強磁場科學中心王俊峰研究員課題組，在裝置所屬的超導磁體支持下，對糖尿病候選藥物 FGF21進行改造后制成FGF21SS，糖尿病小鼠實驗結(jié)果表明FGF21SS表現(xiàn)出更加優(yōu)異的降血糖、減體重效果，具有良好的成藥性，有望在完成臨床轉(zhuǎn)化后用于糖尿病、肥胖和非酒精性脂肪肝等慢性代謝性疾病治療。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際期刊，并已申請國家發(fā)明專利和國際專利保護，目前已與多家企業(yè)達成協(xié)議共同推進臨床試驗和產(chǎn)業(yè)化工作。

此外，科研人員在自主研制國際首創(chuàng)的惡劣條件掃描隧道—磁力—原子力組合顯微鏡成像技術(shù)方面取得重要進展。通過自主研制的發(fā)明專利技術(shù)，可以在液氦低溫、18—20特斯拉強磁場中實現(xiàn)樣品的原子分辨的掃描隧道顯微鏡測量，以及原子力顯微鏡和磁力顯微鏡測量。本產(chǎn)品已有樣機出臺，屬于國際領(lǐng)先技術(shù)?；谠诎雽w工業(yè)、電子材料等重要領(lǐng)域的應用，其潛在市場空間巨大，并能夠帶動真空、低溫、強磁場等多種大型設(shè)備市場的顯著發(fā)展。

穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置混合磁體刷新世界紀錄，也為強磁場科學中心規(guī)劃建設(shè)的另一個大科學裝置——“強光磁集成實驗設(shè)施”奠定了重要基礎(chǔ)?！皬姽獯偶蓪嶒炘O(shè)施”是由中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院、安徽大學、中國科學技術(shù)大學聯(lián)合向國家發(fā)改委申報的國家“十四五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，經(jīng)多輪評審，列為“備選項目、擇機啟動”。該設(shè)施包括以55T混合磁體、36T超導磁體為代表的具有世界最高穩(wěn)態(tài)磁場強度的系列磁體裝置，以及依托微波、紅外/太赫茲、可見光等系列先進波源，建設(shè)一批強磁場下光-磁集成測量系統(tǒng)，其主要科學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題。（安徽日報記者 汪永安）

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