• 探秘世界最强“稳态强磁场”实验装置

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    • 发布时间:2024-04-15
  • 安徽合肥西郊,有一座面积不到3平方公里的小岛。这里三面环水,环境清幽,有个别致的名字——“科学岛”。

      在这片远离喧嚣的地方,坐落着中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心(以下简称“强磁场中心”)。2022年8月,该中心的稳态强磁场实验装置(以下简称“实验装置”)实现重大突破,其混合磁体产生了45.22万高斯的稳态磁场,打破保持23年之久的世界纪录。


      强磁场有什么用?稳态强磁场又是什么?实验装置建设克服了哪些困难?带着这些疑问,近日,科技日报记者来到强磁场中心,一探究竟。

      尖端研究平台,国之重器

      走进强磁场中心一楼大厅,一台实验装置的模型映入眼帘,旁边整齐摆放着依托稳态强磁场发现的各类成果展板。

      强磁场中心工程师汪文强向记者做起了科普——

      强磁场,是开展前沿科学研究必不可少的一种极端实验环境。在强磁场中,科学家能够观察到诸多日常条件下难以窥见的物理化学现象。根据持续时间长短,强磁场分为脉冲强磁场和稳态强磁场。稳态强磁场可以根据科学实验需求,在一定时间和一定数值上保持稳定。产生稳态强磁场的磁体主要有3种:水冷磁体、超导磁体和混合磁体……

      “提到稳态强磁场,大家可能感觉很陌生,但实际上它早已进入我们的生活。”汪文强说,“磁共振成像就是稳态强磁场的典型应用之一,只是其磁场较低。”

      说话间,记者随汪文强走近实验装置。

      实验装置由10台磁体组成,包括5台水冷磁体、4台超导磁体和1台混合磁体。

      宏伟的实验大厅里,4根直径约半米的倾斜钢柱支撑起一个6米多高的巨型圆罐,整体形态与混凝土搅拌站有些相像。

      “这就是打破世界纪录的混合磁体。外面是室温孔径800毫米、磁场强度11.2万高斯的超导磁体,里面是水冷磁体。”汪文强介绍,尽管外形庞大,但其内部用于放置实验样品的空间非常有限,孔径只有32毫米。水冷磁体承受着巨大的电磁应力,相当于万米潜航器所承受水压的7倍。

      “追求极高磁场,就像攀登珠穆朗玛峰。”强磁场中心学术主任、安徽大学校长匡光力告诉记者,“作为全球第五个、我国第一个稳态强磁场实验装置,这个大国重器为科研人员提供了一个尖端研究平台。”

      摸着石头过河,精益求精

      近百年来,已有10余项与强磁场有关的成果荣获诺贝尔奖。

      在我国之前,仅美、法、荷、日四国建有稳态强磁场实验装置。2007年,国家批复建设这一重大科技设施。2008年,强磁场中心在“科学岛”上应运而生。经过数年努力,项目于2017年竣工验收,多项指标超额完成。

      “这个大装置中的水冷磁体,是用特殊设计的‘比特片’做成的。这些比特片与绝缘片层层紧扣,相互叠加。”强磁场中心磁体科学与技术部副主任张俊指着混合磁体说,比特片上密布着微小孔洞,是为了使去离子冷却水从中流过。因此,比特片必须精准放置,丝毫不能错位,否则冷却孔堵塞将导致水冷磁体不能及时散热,易造成整个磁体烧毁。

      “完全是摸着石头过河!”回忆起建设过程,强磁场中心水体磁体组组长房震说,“用什么材料、开多大孔径,我们都是先进行理论分析和模拟,再着手建设。”

      科研团队先后遇到一系列棘手问题。比如所需的“铜银合金”材料,当时极为稀缺,为获取这种材料,他们花费了大量精力。此外,需要用到的大功率整流器,国内并没有现成产品。科研人员只好与生产厂家商量,先支付费用,且明确研发失败费用不退,对方才同意研发和生产。

      “每一步都非常难,而测量系统的研制可谓难上加难。”匡光力打比方道,“实现从磁体运行的复杂电磁环境中筛选出微弱的有用信息,就如同在一大片草地上寻找一根绣花针。”

      精益求精的钻研精神,从一组数据中可见一斑:以低温阀箱为例,其设计历时5年,团队为此绘制了约1200张图纸,在约1.5立方米的狭窄空间内,累计使用的各种管材总长度达2460米,阀箱总共焊缝数量达到了5811条。

      2017年的大年初二,混合磁体调试成功。

      回忆起那一刻,匡光力激动地说:“国家交办的任务圆满完成,比领到大奖还要高兴!”

      项目竣工验收并非终点,科研人员以此为起点不断前行。

      支撑多项实验,成果迭出

      最近,南京大学物理学院王雷教授团队正在稳态强磁场实验装置的混合磁体上,做二维材料的测试实验。

      早在去年底,该团队就提出了实验申请。经过强磁场中心专家委员会的严格评审,实验终于在今年3月中旬得以顺利进行。

      “每年有大约70多个单位、数百个课题在这里进行实验,时间从早上8点一直延续至深夜12点。”强磁场中心磁体运行与实验测量部副主任郗传英介绍。

      “人气非常旺!科学家们都热衷在这个装置上面进行实验。”匡光力说。

      2018年12月,复旦大学修发贤课题组依托实验装置,发现新型三维量子霍尔效应的直接证据,量子霍尔效应研究由此迈出了从二维体系到三维体系的关键一步。另外,浙江大学许祝安、郑毅团队与中南大学夏庆林合作,依托实验装置,在薄层黑砷中首次发现了外电场连续、可逆调控的强自旋轨道耦合效应。强磁场中心磁共振生命科学部则在27万高斯的强磁场实验中,发现强磁场可以干扰癌细胞内的纺锤体,并且抑制癌细胞的分裂,这对未来开发癌症治疗新方法具有积极意义。

      “诸如此类的成果已有数千个,每一项都非常了不起。”匡光力说。

      截至2023年底,实验装置已为国内外近200家单位3000余项课题提供了实验条件,助力论文产出近2500篇。与此同时,依托实验装置研究产生的多项成果,如组合扫描探针显微技术、国家Ⅰ类抗癌创新靶向药物等,成功转化为现实生产力。

      习近平总书记强调,真正的大国重器,一定要掌握在自己手里。

      “我们正在主导建设‘强光磁集成实验设施’,建成后又将是一个大国新重器!”匡光力信心满满地表示,他将和团队全力以赴,建好用好大科学装置,以奋勇争先的姿态,为加快实现高水平科技自立自强积极贡献力量。

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