支撐課題3000項，產(chǎn)生成果數(shù)千個—— 探秘世界最強“穩(wěn)態(tài)強磁場”實驗裝置

圖為穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置混合磁體。

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心供圖

【走近大國重器】

◎本報記者洪敬譜吳長鋒

安徽合肥西郊，有一座面積不到3平方公里的小島。這里三面環(huán)水，環(huán)境清幽，有個別致的名字——“科學(xué)島”。

在這片遠離喧囂的地方，坐落著中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心(以下簡稱“強磁場中心”)。2022年8月，該中心的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(以下簡稱“實驗裝置”)實現(xiàn)重大突破，其混合磁體產(chǎn)生了45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場，打破保持23年之久的世界紀錄。

強磁場有什么用?穩(wěn)態(tài)強磁場又是什么?實驗裝置建設(shè)克服了哪些困難?帶著這些疑問，近日，科技日報記者來到強磁場中心，一探究竟。

尖端研究平臺，國之重器

走進強磁場中心一樓大廳，一臺實驗裝置的模型映入眼簾，旁邊整齊擺放著依托穩(wěn)態(tài)強磁場發(fā)現(xiàn)的各類成果展板。

強磁場中心工程師汪文強向記者做起了科普——

強磁場，是開展前沿科學(xué)研究必不可少的一種極端實驗環(huán)境。在強磁場中，科學(xué)家能夠觀察到諸多日常條件下難以窺見的物理化學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)持續(xù)時間長短，強磁場分為脈沖強磁場和穩(wěn)態(tài)強磁場。穩(wěn)態(tài)強磁場可以根據(jù)科學(xué)實驗需求，在一定時間和一定數(shù)值上保持穩(wěn)定。產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強磁場的磁體主要有3種：水冷磁體、超導(dǎo)磁體和混合磁體……

“提到穩(wěn)態(tài)強磁場，大家可能感覺很陌生，但實際上它早已進入我們的生活。”汪文強說，“磁共振成像就是穩(wěn)態(tài)強磁場的典型應(yīng)用之一，只是其磁場較低。”

說話間，記者隨汪文強走近實驗裝置。

實驗裝置由10臺磁體組成，包括5臺水冷磁體、4臺超導(dǎo)磁體和1臺混合磁體。

宏偉的實驗大廳里，4根直徑約半米的傾斜鋼柱支撐起一個6米多高的巨型圓罐，整體形態(tài)與混凝土攪拌站有些相像。

“這就是打破世界紀錄的混合磁體。外面是室溫孔徑800毫米、磁場強度11.2萬高斯的超導(dǎo)磁體，里面是水冷磁體。”汪文強介紹，盡管外形龐大，但其內(nèi)部用于放置實驗樣品的空間非常有限，孔徑只有32毫米。水冷磁體承受著巨大的電磁應(yīng)力，相當于萬米潛航器所承受水壓的7倍。

“追求極高磁場，就像攀登珠穆朗瑪峰。”強磁場中心學(xué)術(shù)主任、安徽大學(xué)校長匡光力告訴記者，“作為全球第五個、我國第一個穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置，這個大國重器為科研人員提供了一個尖端研究平臺。”

摸著石頭過河，精益求精

近百年來，已有10余項與強磁場有關(guān)的成果榮獲諾貝爾獎。

在我國之前，僅美、法、荷、日四國建有穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置。2007年，國家批復(fù)建設(shè)這一重大科技設(shè)施。2008年，強磁場中心在“科學(xué)島”上應(yīng)運而生。經(jīng)過數(shù)年努力，項目于2017年竣工驗收，多項指標超額完成。

“這個大裝置中的水冷磁體，是用特殊設(shè)計的‘比特片’做成的。這些比特片與絕緣片層層緊扣，相互疊加。”強磁場中心磁體科學(xué)與技術(shù)部副主任張俊指著混合磁體說，比特片上密布著微小孔洞，是為了使去離子冷卻水從中流過。因此，比特片必須精準放置，絲毫不能錯位，否則冷卻孔堵塞將導(dǎo)致水冷磁體不能及時散熱，易造成整個磁體燒毀。

“完全是摸著石頭過河!”回憶起建設(shè)過程，強磁場中心水體磁體組組長房震說，“用什么材料、開多大孔徑，我們都是先進行理論分析和模擬，再著手建設(shè)。”

科研團隊先后遇到一系列棘手問題。比如所需的“銅銀合金”材料，當時極為稀缺，為獲取這種材料，他們花費了大量精力。此外，需要用到的大功率整流器，國內(nèi)并沒有現(xiàn)成產(chǎn)品�？蒲腥藛T只好與生產(chǎn)廠家商量，先支付費用，且明確研發(fā)失敗費用不退，對方才同意研發(fā)和生產(chǎn)。

“每一步都非常難，而測量系統(tǒng)的研制可謂難上加難。”匡光力打比方道，“實現(xiàn)從磁體運行的復(fù)雜電磁環(huán)境中篩選出微弱的有用信息，就如同在一大片草地上尋找一根繡花針。”

精益求精的鉆研精神，從一組數(shù)據(jù)中可見一斑：以低溫閥箱為例，其設(shè)計歷時5年，團隊為此繪制了約1200張圖紙，在約1.5立方米的狹窄空間內(nèi)，累計使用的各種管材總長度達2460米，閥箱總共焊縫數(shù)量達到了5811條。

2017年的大年初二，混合磁體調(diào)試成功。

回憶起那一刻，匡光力激動地說：“國家交辦的任務(wù)圓滿完成，比領(lǐng)到大獎還要高興!”

項目竣工驗收并非終點，科研人員以此為起點不斷前行。

支撐多項實驗，成果迭出

最近，南京大學(xué)物理學(xué)院王雷教授團隊正在穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的混合磁體上，做二維材料的測試實驗。

早在去年底，該團隊就提出了實驗申請。經(jīng)過強磁場中心專家委員會的嚴格評審，實驗終于在今年3月中旬得以順利進行。

“每年有大約70多個單位、數(shù)百個課題在這里進行實驗，時間從早上8點一直延續(xù)至深夜12點。”強磁場中心磁體運行與實驗測量部副主任郗傳英介紹。

“人氣非常旺!科學(xué)家們都熱衷在這個裝置上面進行實驗。”匡光力說。

2018年12月，復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢課題組依托實驗裝置，發(fā)現(xiàn)新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，量子霍爾效應(yīng)研究由此邁出了從二維體系到三維體系的關(guān)鍵一步。另外，浙江大學(xué)許祝安、鄭毅團隊與中南大學(xué)夏慶林合作，依托實驗裝置，在薄層黑砷中首次發(fā)現(xiàn)了外電場連續(xù)、可逆調(diào)控的強自旋軌道耦合效應(yīng)。強磁場中心磁共振生命科學(xué)部則在27萬高斯的強磁場實驗中，發(fā)現(xiàn)強磁場可以干擾癌細胞內(nèi)的紡錘體，并且抑制癌細胞的分裂，這對未來開發(fā)癌癥治療新方法具有積極意義。

“諸如此類的成果已有數(shù)千個，每一項都非常了不起。”匡光力說。

截至2023年底，實驗裝置已為國內(nèi)外近200家單位3000余項課題提供了實驗條件，助力論文產(chǎn)出近2500篇。與此同時，依托實驗裝置研究產(chǎn)生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國家Ⅰ類抗癌創(chuàng)新靶向藥物等，成功轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。

習(xí)近平總書記強調(diào)，真正的大國重器，一定要掌握在自己手里。

“我們正在主導(dǎo)建設(shè)‘強光磁集成實驗設(shè)施’，建成后又將是一個大國新重器!”匡光力信心滿滿地表示，他將和團隊全力以赴，建好用好大科學(xué)裝置，以奮勇爭先的姿態(tài)，為加快實現(xiàn)高水平科技自立自強積極貢獻力量。