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    光明日报 2022年08月29日 星期一

    45.22万高斯的稳态磁场相当于地球磁场的90多万倍——

    我科学家创稳态强磁场实验装置新纪录

    作者:本报记者 常河 本报通讯员 赵胜 《光明日报》( 2022年08月29日 08版)

      中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的磁体大厅内,28名来自北京大学物理学院的学生盯着眼前高6米的“庞然大物”讨论得热火朝天。“这是我们北大物理学院赴安徽合肥进行‘大思政课’社会实践的第一站,同学们都知道这里十几天前诞生了一项全新的世界纪录,他们不仅为祖国骄傲,更是对此充满着好奇。”带队老师、北京大学物理学院研究员贾爽说。

      这到底是一项怎样的世界纪录?背后又有哪些不为人知的故事?

    45.22万高斯意味着什么

      8月12日,国家重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”实现重大突破,其混合磁体产生了45.22万高斯,即45.22特斯拉(T)的稳态磁场。由多位中国科学院院士、中国工程院院士组成的专家组鉴定认为,该成果达到国际领先水平。

      45.22万高斯,该怎么理解这个对于普通人来说有点陌生的数字?“做一个通俗的类比:地球本身就是一个磁体,它表面的磁场约等于0.5高斯——这0.5高斯的磁场就可以撬动指南针,让指南针的指针从任何方向准确地旋转指向南方。”中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心学术主任匡光力研究员说,“换句话说,45.22万高斯的稳态磁场相当于地球磁场的90多万倍。”

      更为引人关注的是,这是一项中国创造的全新世界纪录。原世界纪录的保持者是美国。

      1999年,美国国家强磁场实验室中的混合磁体产生了45万高斯的稳态磁场,创造了当时的世界纪录,并入选“吉尼斯世界纪录大全”。23年过去,虽然全世界各大稳态强磁场实验室一直在努力尝试,可45万高斯的纪录却再也没有被打破。

      据了解,强磁场是现代科学实验最重要的极端条件之一,能够催生很多重大发现,世界科技强国一直都非常重视强磁场实验室的建设,如美国、法国、荷兰、日本等。曾经很长一段时间里,我国强磁场领域几乎一片空白,这成为制约科技进步的一块短板。

      2008年,位于合肥科学岛的国家大科学装置稳态强磁场实验装置开工建设,2017年通过国家验收。该装置一共包括10台磁体:5台水冷磁体、4台超导磁体和1台混合磁体。其中,混合磁体是国际上技术难度最高的磁体,也是能够产生最高稳态磁场的磁体。“2016年,我们就自主研制成功中心场强40万高斯的混合磁体,一举跻身世界第二。这次能打破尘封23年的世界纪录,是我们多年来矢志不移坚持自主创新的结果。”匡光力说。

    起步虽晚,勇攀高峰

      勇攀科技高峰的脚步从未停歇。

      虽然起步时间晚,我国稳态强磁场实验装置仅用8年左右的时间,就研制出了继美国之后世界第二台40特斯拉级的混合磁体。从2016年年底开始,“全面掌握高场磁体研制关键核心技术,在祖国的大地上创造最高稳态磁场”便成了团队心中的一个火种。

      “产生更可能高的磁场,是全世界强磁场实验室首要的科学任务。近六年的时间里,我们共经历过三次大的失败,小的挫败就更不用说了。”往日失败的情景,匡光力依然历历在目。

      2017年底,团队将磁场强度由40T提高到了42.9T。2019年,这个数字被提高到了43.9T,距离冲击世界纪录看似仅一步之遥,却都以失败告终。

      最让人揪心的事发生在2021年4月,混合磁体达到40T后,相关数据便停滞不前,第三次冲击就这样以令人沮丧的结果收场。

      “尤其是在第三次失败后,对大家打击很大。”中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心副研究员房震告诉记者,混合磁体由内水冷磁体和外超导磁体组合而成,此次混合磁体性能提升的关键在于水冷磁体。为此,团队成立了“混合磁体关键技术攻关小组”和“高场磁体技术青年创新突击队”,再次向世界纪录发起冲锋。

      在详细分析了以往冲击世界纪录失败的原因之后,针对混合磁体性能提升,大家得出了统一结论:必须对内水冷磁体中高场线圈技术进行根本性的革新,才能保证混合磁体迈过45T这一大关。很快,团队提出了一套创新性的技术方案。

      攀登世界科技高峰的道路也绝非坦途。本次新的高场线圈设计采用了多项深层次的创新技术,即使是很细微的创新,从构想变成现实,都会遇到不小的挑战。

      房震坦言,攻关小组和青年创新突击队成立以来,他时常会沉浸在新旧方案的对比之中,为了某一项技术创新工作到半夜也是家常便饭。“大家不断优化流程,不放过任何一个小问题,全力保障即将到来的混合磁体冲高实验。”房震说。

    最强稳态磁场逐渐浮出水面

      2022年夏。气象数据显示,全国多地都在经历自1961年有完整气象记录以来的最强高温。此时,最强稳态磁场也在科研人员汗流浃背的努力下,逐渐浮出水面。

      具有决定性意义的实验,发生在7月15日下午。

      “当天的联调实验现场像极了观看一场体育比赛。”很多在场人员在事后回忆。

      1万安培、2万安培……所有参数保持正常稳定。电流每增加1万安培,稳态磁场都会上一个台阶,这时候一般也会停顿十几秒。“停顿是为了看磁场状态稳不稳,说实话每当停顿时,都挺煎熬的。”强磁场科学中心磁体部主任陈文革研究员说,直到电流上到了3万安培,他的心才稍微缓和了一点。不一会儿,中控大厅的屏幕上最终出现了“混合磁体总场强:45.2T”的字样,现场的欢呼声与掌声一时间此起彼伏。

      “可以说,突破的关键还是我们对水冷磁体结构进行了比较深层次的改进,能够很好地平衡电磁力。”中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员陈思跃说,这次冲击世界纪录的成功,得益于团队的10多项技术创新,其中包括中心线圈尺寸与磁场贡献的优化、新绝缘材料的使用、水冷槽工艺的改进以及液压技术的采用等等。

      当天实验的种种迹象表明,高于45T的数据可以重复,这次实验给了团队极大的信心。在接下来近一个月的时间里,团队又进行了多轮的可重复实验,最终在8月12日上午举行的专家鉴定会上,混合磁体产生了45.22T的稳态磁场,一举打破了尘封23年的世界纪录。

      “实现45.22T的稳态磁场,意味着人类操控磁场的能力达到新高度,让科学家做研究时看得更准、更清晰。”对于其中的难度,中国科学院院士叶朝辉打了一个形象的比方:“人类目前的百米纪录是9秒58,这是不是人类的极限还无法确定,但在此基础上哪怕缩短0.01秒,都是难度极大的事。”

      叶朝辉说:“就像稳态强磁场,达到45T以后,在此基础上每提升一点点,都需要大量的工作,不仅包括材料、技术、工艺、能源保障等方面的改进,更需要研究和设计思路上的创新,这就是核心竞争力。”

    “国之重器”,未来可期

      “作为推动重大科学发现的‘利器’,稳态强磁场实验条件对物理、化学、材料、生物医药等领域的研究,都具有重要作用。”匡光力介绍,物理学家克劳斯·冯·克利青就因1980年在法国强磁场实验室发现了量子霍尔效应而获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

      就在合肥科学岛稳态强磁场刷新世界纪录的第三天,美国国家强磁场实验室主任Greg Boebinger发来贺信:“全球范围内对于只能在超强稳态磁场下才能完成的精密实验的需求与日俱增,看到贵实验室拥有了能为用户提供45.22T稳态磁场的混合磁体,我们感到很高兴。”他在接受媒体采访时表示:“这是一群优秀的工程师和科学家取得的一项里程碑式的成就。”

      “大科学装置具有鲜明的科学和工程双重属性,我们现在的混合磁体产生了全球范围内目前可支持科学研究的最高稳态磁场,可以为接下来很多学科领域的课题研究,提供更好的实验条件。”匡光力说。

      稳态强磁场实验装置运行人员告诉记者,装置的用户一直有对更高磁场强度的需求,此次磁场强度创造新高以后,实验用户们也都很兴奋。复旦大学物理系教授张远波说:“此次合肥稳态强磁场的进一步提升,让我们在‘家门口’就能用上顶级实验平台,未来有望帮助团队在量子材料领域获得更多新发现。”目前,装置运行人员正在安排用户陆续开展混合磁体上的实验。

      “稳态强磁场实验装置作为新时代建成的‘国之重器’,未来将继续发挥重要作用。”匡光力说。

      (本报记者 常河 本报通讯员 赵胜)

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