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我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置刷新世界紀(jì)錄 意味著什么?

發(fā)布時(shí)間:2022-08-18 11:09:00來(lái)源: 人民日?qǐng)?bào)

  我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置刷新世界紀(jì)錄

  45.22萬(wàn)高斯意味著什么(科技自立自強(qiáng))

  本報(bào)記者 徐 靖

  《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2022年08月17日 第 12 版)

  核心閱讀

  日前,國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了重大突破,產(chǎn)生了場(chǎng)強(qiáng)45.22萬(wàn)高斯的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng),刷新了同類型磁體保持了近23年的世界紀(jì)錄。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(jì)錄的誕生,表明我國(guó)擁有了目前國(guó)際領(lǐng)先的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件,能夠?yàn)榭蒲腥藛T探索物質(zhì)世界提供有力支撐。

  8月12日,中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心高場(chǎng)磁體運(yùn)行監(jiān)控中心。液晶大屏和一排排電腦屏幕上布滿了各種圖表和數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,不時(shí)有人指著屏幕上的數(shù)字與身邊人低聲交流,看上去與平時(shí)沒(méi)什么兩樣。可對(duì)于這個(gè)科研骨干平均年齡僅35周歲的年輕團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō),他們獲得的最新數(shù)據(jù)具有重要意義。

  當(dāng)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(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(wàn)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)。由多位中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)工程院院士組成的專家組鑒定認(rèn)為,該成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

  穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)是什么,有哪些作用,新的世界紀(jì)錄又意味著什么?

  強(qiáng)磁場(chǎng),為物質(zhì)科學(xué)研究創(chuàng)造極端實(shí)驗(yàn)條件

  我們知道,通電的螺線管會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),電流越大磁場(chǎng)越強(qiáng)。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置里的磁體正是基于這樣的基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。不過(guò)隨著電流增大,導(dǎo)體受到的電磁力急劇增加,磁體內(nèi)的熱量超乎尋常地變大,所以要通過(guò)更加精密、穩(wěn)定、先進(jìn)的材料和加工工藝,形成更加強(qiáng)大且穩(wěn)定受控的磁場(chǎng)。

  磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度足以撬動(dòng)指南針,讓指針在地球上的任何方向準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)指向南方,而此次打破世界紀(jì)錄的45.22萬(wàn)高斯相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的90多萬(wàn)倍。

  “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,也是推動(dòng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的利器。在強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,物質(zhì)特性會(huì)受到調(diào)控,有利于科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)新現(xiàn)象、探索物質(zhì)新規(guī)律。

  近年來(lái),強(qiáng)磁場(chǎng)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)。強(qiáng)磁場(chǎng)能有效調(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),比如強(qiáng)磁場(chǎng)作用下的電磁冶金技術(shù)、化學(xué)反應(yīng)合成等,特別是目前在化學(xué)和生物醫(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”。

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

  我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是“十一五”期間國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)立項(xiàng)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,包括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。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)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(qiáng)磁場(chǎng)團(tuán)隊(duì)就自主研制成功中心場(chǎng)強(qiáng)40特斯拉(即40萬(wàn)高斯)的混合磁體。1999年,美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的混合磁體產(chǎn)生了45特斯拉的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng),這個(gè)世界紀(jì)錄保持了近23年。此次的新紀(jì)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(shù)汗水和努力。

  中科院精密測(cè)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:“人類目前的百米世界紀(jì)錄是9秒58,這是不是人類的極限還無(wú)法確定,但在此基礎(chǔ)上哪怕縮短0.01秒,都難度極大。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(shè)計(jì)思路上的創(chuàng)新?!?/p>

  在磁場(chǎng)不斷提升的過(guò)程中,科研人員一直根據(jù)新情況改進(jìn)新技術(shù)?!氨热缤ㄟ^(guò)液壓的方式增加線圈比特片之間的摩擦力;把中心3個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)貢獻(xiàn)進(jìn)行重新優(yōu)化;使用新的絕緣材料;對(duì)水冷槽的加工工藝進(jìn)行了改進(jìn);等等?!敝锌圃汉戏饰镔|(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)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(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了10余項(xiàng)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(yīng)用,在材料、生命健康等多領(lǐng)域開(kāi)展數(shù)千項(xiàng)前沿研究

  2017年9月,我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收后投入全面運(yùn)行。截至目前,裝置已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)50萬(wàn)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(kāi)展了超過(guò)3000項(xiàng)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(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。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,已實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。

  中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力介紹,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(jì)錄的誕生,表明我國(guó)擁有了目前國(guó)際領(lǐng)先的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件,能夠?yàn)榭蒲腥藛T探索物質(zhì)世界提供有力支撐。

  世界紀(jì)錄的刷新,也為強(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)??锕饬榻B,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,設(shè)施還將依托微波、可見(jiàn)光等系列先進(jìn)波源,建設(shè)一批強(qiáng)磁場(chǎng)下光—磁集成測(cè)量系統(tǒng),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(guò)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(wèn)題。

  “不管是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置,還是強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)設(shè)施,都是致力于解決國(guó)家重大需求的國(guó)之重器。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,希望更多用戶可以依托裝置產(chǎn)出高水平的科研成果?!笨锕饬φf(shuō)。

(責(zé)編:常邦麗)

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