探秘稳态强磁场

　　地球磁场约等于0.5高斯，这0.5高斯的强度就拥有足够的力量拨动指南针，使指南针的指针从任何方向旋转后都准确地再指向南方。
　　8月12日，中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研制的国家稳态强磁场实验装置再攀＂科技高峰＂，其混合磁体产生了45.22万高斯（即45.22特斯拉，1特斯拉＝10000高斯）的稳态磁场，刷新了同类型磁体的世界纪录，成为目前全球范围内可支持科学研究的最高稳态磁场。45.22万高斯相当于地球磁场的90多万倍。这项世界纪录的突破意味着什么？有了这样的强磁场，能做哪些研究？让我们走进国家稳态强磁场实验装置一探究竟。
　　45.22万高斯，这个世界纪录来之不易
　　走进合肥＂科学岛＂强磁场科学中心，6米高的稳态强磁场实验装置引人注目。二楼控制室内，大屏幕显示着各项参数，在这里，任何细微的变化都处于科研人员的监控之下。
　　国家稳态强磁场实验装置是 ＂十一五＂期间国家发改委批准立项的重大科技基础设施，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，从结构上看，它由外＂超导磁体＂和内＂水冷磁体＂组合而成。 2016年，强磁场团队自主研制成功中心场强达40万高斯的混合磁体，一举跻身世界第二。在合肥综合性国家科学中心强光磁预研项目的支持下，经过5年多紧张的技术攻关，强磁场团队创新了磁体结构、研发了新材料、优化了制造工艺，终于取得重大技术突破。此次国家稳态强磁场实验装置的混合磁体在26.9兆瓦的电源功率下产生45.22万高斯的稳态强磁场，达到国际领先水平，成为我国科学实验极端条件建设乃至世界强磁场技术发展的重要里程碑。
　　很多人可能会问：美国国家强磁场实验室混合磁体1999年产生了45特斯拉稳态磁场，这个世界纪录保持了23年。合肥研究院混合磁体产生的45.22特斯拉，仅仅高出0.22特斯拉。增加0.22特斯拉为何这么难？中科院院士、中科院精密测量科学与技术创新研究院研究员叶朝辉用一个形象的比喻进行说明：＂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。同样，稳态强磁场达到45特斯拉以后，在此基础上每提升一点点，都需要大量工作，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。 ＂
　　随着科学研究不断向广度拓展、向深度进军，科学家必须借助精度更高、功能更强的设施设备进行研究。可以说，重大科技基础设施直接关系到建设科技强国的核心竞争力。叶朝辉说：＂此次国家稳态强磁场实验装置的混合磁体刷新世界纪录，凸显了我国大科学装置建设的成效，相信可以促进包括物理、化学、材料、生命健康等领域在内的基础研究和应用研究取得进步。 ＂
　　强磁场，现代科学实验最重要极端条件之一
　　强磁场与极低温、超高压一样，被列为现代科学实验最重要的极端条件之一，物质结构和状态在强磁场环境下都可能发生变化，呈现出多样的物理、化学现象和效应。数十年来，世界各国学者在此领域的科学研究一直非常活跃，取得了大批原创性重大成果，并推动了相关新兴高技术产业的发展。自1913年以来，19项与强磁场有关的成果获得诺贝尔奖，仅近20年就有8项。发达国家竞相将稳态强磁场实验装置作为重大科技基础设施建设的重点。
　　我国要在生命科学、医学、功能材料和器件研究方面赶上世界先进水平，迫切需要尽快建立世界水平的强磁场实验装置。近年来，强磁场作为一种极端条件在很多研究领域的重要作用愈发显现。一方面，强磁场可以诱导新物态，有效调控材料中的电荷、自旋、轨道等，使之出现全新的量子态，从而呈现出丰富的新现象。另一方面，强磁场可以催生新的重大应用技术，特别是目前在化学、生物医学领域广泛应用的结构解析和非侵入性成像——核磁共振技术。
　　国家稳态强磁场实验装置自投入运行以来，截至目前已运行超50万个机时，为国内外170多家单位提供了实验条件，在物理、化学、材料、生命健康、工程技术等领域开展了超过3000项课题的前沿研究，取得一系列重大科技成果。比如，首次发现外尔轨道导致的三维量子霍尔效应，揭示日光照射改善学习记忆的分子及神经环路机制等。与此同时，研发装置衍生的成果和依托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。
　　＂国家稳态强磁场实验装置的混合磁体产生世界最高的稳态磁场，有力提升了支撑科学家们开展物质科学研究的实验条件，将在低功耗电子材料等研究中发挥不可或缺的关键作用。 ＂中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心学术主任、强磁场安徽省实验室主任、强光磁预研项目负责人匡光力表示，随着混合磁体产生的磁场强度的提高，其开放共享水平、用户服务水平也将得到大幅提升，必将成为支撑我国科技创新的一大＂利器＂。
　　＂沿途下蛋＂，强磁场实验装置衍生多项科技成果
　　强磁场对于生命科学研究有重要作用。比如在医院里，磁共振成像就利用了强磁场技术。再比如，科研人员发现27特斯拉稳态强磁场影响肿瘤细胞有丝分裂过程中纺锤体的取向。细胞有丝分裂是亲代细胞将遗传物质等精确平均地分配到两个子代细胞的过程，是决定细胞命运的关键步骤，对维持细胞的正常生理功能和生物体的生长发育至关重要，更是肿瘤细胞恶性繁殖的关键。还有，强磁场是一种独特的条件，可以改变材料，甚至创造新材料。比如强磁场可以帮助硅的提纯，实现更高等级的单晶硅材料，衍生更好的电子产品，而硅是现代半导体电子工业的核心。又比如，强磁场可以帮助高温超导材料的研发。超导状态下的材料电阻可以忽略，这意味着电力的输送将不会有任何损耗。而目前超导都是低温状态下实现的，科学家正在努力提高超导材料的临界温度，强磁场是这一实用价值极高的研究中不可或缺的手段。
　　近年来，科研人员依托稳态强磁场实验装置已产生多项重大科技成果。装置用户强磁场科学中心王俊峰研究员课题组，在装置所属的超导磁体支持下，对糖尿病候选药物 FGF21进行改造后制成FGF21SS，糖尿病小鼠实验结果表明FGF21SS表现出更加优异的降血糖、减体重效果，具有良好的成药性，有望在完成临床转化后用于糖尿病、肥胖和非酒精性脂肪肝等慢性代谢性疾病治疗。相关研究成果发表于国际期刊，并已申请国家发明专利和国际专利保护，目前已与多家企业达成协议共同推进临床试验和产业化工作。
　　此外，科研人员在自主研制国际首创的恶劣条件扫描隧道—磁力—原子力组合显微镜成像技术方面取得重要进展。通过自主研制的发明专利技术，可以在液氦低温、18—20特斯拉强磁场中实现样品的原子分辨的扫描隧道显微镜测量，以及原子力显微镜和磁力显微镜测量。本产品已有样机出台，属于国际领先技术。基于在半导体工业、电子材料等重要领域的应用，其潜在市场空间巨大，并能够带动真空、低温、强磁场等多种大型设备市场的显著发展。
　　稳态强磁场实验装置混合磁体刷新世界纪录，也为强磁场科学中心规划建设的另一个大科学装置——＂强光磁集成实验设施＂奠定了重要基础。＂强光磁集成实验设施＂是由中国科学院合肥物质科学研究院、安徽大学、中国科学技术大学联合向国家发改委申报的国家＂十四五＂重大科技基础设施项目，经多轮评审，列为＂备选项目、择机启动＂。该设施包括以55T混合磁体、36T超导磁体为代表的具有世界最高稳态磁场强度的系列磁体装置，以及依托微波、红外/太赫兹、可见光等系列先进波源，建设一批强磁场下光-磁集成测量系统，其主要科学目标是解决新型电子材料研发、高温超导机理研究与应用、生命过程本质探索、新药创制以及特种功能材料制备等国家重大需求中的瓶颈问题。（安徽日报记者 汪永安）