45.22萬高斯的穩態磁場相當于地球磁場的90多萬倍——

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我科學家創穩態強磁場實驗裝置新紀錄

光明日報記者 常河光明日報通訊員 趙勝

中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心的磁體大廳內，28名來自北京大學物理學院的學生盯著眼前高6米的“龐然大物”討論得熱火朝天。“這是我們北大物理學院赴安徽合肥進行‘大思政課’社會實踐的第一站，同學們都知道這里十幾天前誕生了一項全新的世界紀錄，他們不僅為祖國驕傲，更是對此充滿著好奇。”帶隊老師、北京大學物理學院研究員賈爽說。

這到底是一項怎樣的世界紀錄？背后又有哪些不為人知的故事？

45.22萬高斯意味著什么

8月12日，國家重大科技基礎設施“穩態強磁場實驗裝置”實現重大突破，其混合磁體產生了45.22萬高斯，即45.22特斯拉（T）的穩態磁場。由多位中國科學院院士、中國工程院院士組成的專家組鑒定認為，該成果達到國際領先水平。

45.22萬高斯，該怎么理解這個對于普通人來說有點陌生的數字？“做一個通俗的類比：地球本身就是一個磁體，它表面的磁場約等于0.5高斯——這0.5高斯的磁場就可以撬動指南針，讓指南針的指針從任何方向準確地旋轉指向南方。”中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心學術主任匡光力研究員說，“換句話說，45.22萬高斯的穩態磁場相當于地球磁場的90多萬倍。”

更為引人關注的是，這是一項中國創造的全新世界紀錄。原世界紀錄的保持者是美國。

1999年，美國國家強磁場實驗室中的混合磁體產生了45萬高斯的穩態磁場，創造了當時的世界紀錄，并入選“吉尼斯世界紀錄大全”。23年過去，雖然全世界各大穩態強磁場實驗室一直在努力嘗試，可45萬高斯的紀錄卻再也沒有被打破。

據了解，強磁場是現代科學實驗最重要的極端條件之一，能夠催生很多重大發現，世界科技強國一直都非常重視強磁場實驗室的建設，如美國、法國、荷蘭、日本等。曾經很長一段時間里，我國強磁場領域幾乎一片空白，這成為制約科技進步的一塊短板。

2008年，位于合肥科學島的國家大科學裝置穩態強磁場實驗裝置開工建設，2017年通過國家驗收。該裝置一共包括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難度最高的磁體，也是能夠產生最高穩態磁場的磁體。“2016年，我們就自主研制成功中心場強40萬高斯的混合磁體，一舉躋身世界第二。這次能打破塵封23年的世界紀錄，是我們多年來矢志不移堅持自主創新的結果。”匡光力說。

起步雖晚，勇攀高峰

勇攀科技高峰的腳步從未停歇。

雖然起步時間晚，我國穩態強磁場實驗裝置僅用8年左右的時間，就研制出了繼美國之后世界第二臺40特斯拉級的混合磁體。從2016年年底開始，“全面掌握高場磁體研制關鍵核心技術，在祖國的大地上創造最高穩態磁場”便成了團隊心中的一個火種。

“產生更可能高的磁場，是全世界強磁場實驗室首要的科學任務。近六年的時間里，我們共經歷過三次大的失敗，小的挫敗就更不用說了。”往日失敗的情景，匡光力依然歷歷在目。

2017年底，團隊將磁場強度由40T提高到了42.9T。2019年，這個數字被提高到了43.9T，距離沖擊世界紀錄看似僅一步之遙，卻都以失敗告終。

最讓人揪心的事發生在2021年4月，混合磁體達到40T后，相關數據便停滯不前，第三次沖擊就這樣以令人沮喪的結果收場。

“尤其是在第三次失敗后，對大家打擊很大。”中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心副研究員房震告訴記者，混合磁體由內水冷磁體和外超導磁體組合而成，此次混合磁體性能提升的關鍵在于水冷磁體。為此，團隊成立了“混合磁體關鍵技術攻關小組”和“高場磁體技術青年創新突擊隊”，再次向世界紀錄發起沖鋒。

在詳細分析了以往沖擊世界紀錄失敗的原因之后，針對混合磁體性能提升，大家得出了統一結論：必須對內水冷磁體中高場線圈技術進行根本性的革新，才能保證混合磁體邁過45T這一大關。很快，團隊提出了一套創新性的技術方案。

攀登世界科技高峰的道路也絕非坦途。本次新的高場線圈設計采用了多項深層次的創新技術，即使是很細微的創新，從構想變成現實，都會遇到不小的挑戰。

房震坦言，攻關小組和青年創新突擊隊成立以來，他時常會沉浸在新舊方案的對比之中，為了某一項技術創新工作到半夜也是家常便飯。“大家不斷優化流程，不放過任何一個小問題，全力保障即將到來的混合磁體沖高實驗。”房震說。

最強穩態磁場逐漸浮出水面

2022年夏。氣象數據顯示，全國多地都在經歷自1961年有完整氣象記錄以來的最強高溫。此時，最強穩態磁場也在科研人員汗流浹背的努力下，逐漸浮出水面。

具有決定性意義的實驗，發生在7月15日下午。

“當天的聯調實驗現場像極了觀看一場體育比賽。”很多在場人員在事后回憶。

1萬安培、2萬安培……所有參數保持正常穩定。電流每增加1萬安培，穩態磁場都會上一個臺階，這時候一般也會停頓十幾秒。“停頓是為了看磁場狀態穩不穩，說實話每當停頓時，都挺煎熬的。”強磁場科學中心磁體部主任陳文革研究員說，直到電流上到了3萬安培，他的心才稍微緩和了一點。不一會兒，中控大廳的屏幕上最終出現了“混合磁體總場強：45.2T”的字樣，現場的歡呼聲與掌聲一時間此起彼伏。

“可以說，突破的關鍵還是我們對水冷磁體結構進行了比較深層次的改進，能夠很好地平衡電磁力。”中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員陳思躍說，這次沖擊世界紀錄的成功，得益于團隊的10多項技術創新，其中包括中心線圈尺寸與磁場貢獻的優化、新絕緣材料的使用、水冷槽工藝的改進以及液壓技術的采用等等。

當天實驗的種種跡象表明，高于45T的數據可以重復，這次實驗給了團隊極大的信心。在接下來近一個月的時間里，團隊又進行了多輪的可重復實驗，最終在8月12日上午舉行的專家鑒定會上，混合磁體產生了45.22T的穩態磁場，一舉打破了塵封23年的世界紀錄。

“實現45.22T的穩態磁場，意味著人類操控磁場的能力達到新高度，讓科學家做研究時看得更準、更清晰。”對于其中的難度，中國科學院院士葉朝輝打了一個形象的比方：“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，但在此基礎上哪怕縮短0.01秒，都是難度極大的事。”

葉朝輝說：“就像穩態強磁場，達到45T以后，在此基礎上每提升一點點，都需要大量的工作，不僅包括材料、技術、工藝、能源保障等方面的改進，更需要研究和設計思路上的創新，這就是核心競爭力。”

“國之重器”，未來可期

“作為推動重大科學發現的‘利器’，穩態強磁場實驗條件對物理、化學、材料、生物醫藥等領域的研究，都具有重要作用。”匡光力介紹，物理學家克勞斯·馮·克利青就因1980年在法國強磁場實驗室發現了量子霍爾效應而獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。

就在合肥科學島穩態強磁場刷新世界紀錄的第三天，美國國家強磁場實驗室主任Greg?Boebinger發來賀信：“全球范圍內對于只能在超強穩態磁場下才能完成的精密實驗的需求與日俱增，看到貴實驗室擁有了能為用戶提供45.22T穩態磁場的混合磁體，我們感到很高興。”他在接受媒體采訪時表示：“這是一群優秀的工程師和科學家取得的一項里程碑式的成就。”

“大科學裝置具有鮮明的科學和工程雙重屬性，我們現在的混合磁體產生了全球范圍內目前可支持科學研究的最高穩態磁場，可以為接下來很多學科領域的課題研究，提供更好的實驗條件。”匡光力說。

穩態強磁場實驗裝置運行人員告訴記者，裝置的用戶一直有對更高磁場強度的需求，此次磁場強度創造新高以后，實驗用戶們也都很興奮。復旦大學物理系教授張遠波說：“此次合肥穩態強磁場的進一步提升，讓我們在‘家門口’就能用上頂級實驗平臺，未來有望幫助團隊在量子材料領域獲得更多新發現。”目前，裝置運行人員正在安排用戶陸續開展混合磁體上的實驗。

“穩態強磁場實驗裝置作為新時代建成的‘國之重器’，未來將繼續發揮重要作用。”匡光力說。

《光明日報》（ 2022年08月29日?08版）