世界領先的強磁場 中國建設的加速度

——走進國家脈沖強磁場科學中心系列報道之一

本報記者 張 曄 劉志偉

把一塊材料放在相當于地球磁感應強度120萬倍的強磁場下，持續(xù)10毫秒，或者以毫秒級的時間間隔反復施加強磁場，會發(fā)生什么？

近日，國家重大科技基礎設施、華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心成功實現(xiàn)64特斯拉脈沖平頂磁場強度，創(chuàng)造了脈沖平頂磁場強度新的世界紀錄。在物理學家看來，這無異于開辟了研究微觀物質(zhì)世界的新天地。

“我們可以用它測量熱電信號，研究材料的自旋動力學，這對存儲材料的改進提升將有極大的幫助。”復旦大學修發(fā)賢教授聽聞這個消息，一下找到了未來的科研方向，“這在國際上也是獨一無二的！”

中國電機工程學會鑒定認為，該項目在脈沖平頂磁場強度和高場重復頻率上創(chuàng)造了兩項世界紀錄，結(jié)束了我國強磁場下科學研究長期依賴國外裝置的歷史。

國家脈沖強磁場科學中心對外開放運行4年來，取得了包括近90年來首次發(fā)現(xiàn)的全新規(guī)律量子振蕩現(xiàn)象等一大批創(chuàng)新成果，成功躋身國際領先的脈沖強磁場行列。

后來者創(chuàng)造加速度

2013年10月，山水逶迤的武漢東湖畔，國家脈沖強磁場科學中心迎來了20多位“磁性十足”的大咖。全球主要強磁場實驗室負責人和國際強磁場權威專家都已到齊。

他們不敢相信，中國人要公開進行實驗演示，因為產(chǎn)生脈沖磁場的強大電流和電磁應力，隨時會“爆表”。在此之前，國際上從來沒一個實驗室敢公開進行高參數(shù)實驗演示，德國德累斯頓強磁場實驗室就曾在公開演示中發(fā)生過磁體爆炸。

1個控制中心，8個實驗站，整整1天實驗，外國專家們閉門討論3個小時。當會議室大門打開的那一刻，中心主任李亮教授緊鎖的眉頭終于舒展，“這里的脈沖強磁場設施已經(jīng)躋身于世界上最好的脈沖場之列”，國際同行給出評價。

上世紀80年代后期，高溫超導成為熱門研究領域，傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)強磁場已經(jīng)力不從心。歐美發(fā)達國家開始加大磁場強度更高的脈沖強磁場建設，而我國在脈沖強磁場設施方面，基本是空白。

中國工程院院士潘垣敏銳地意識到，我國要想在凝聚態(tài)物理、材料、化學和生命等基礎前沿科學方面的研究進入國際前列，就必須建設世界一流水平的脈沖強磁場裝置。

從無到有、從弱到強，國家脈沖強磁場科學中心創(chuàng)造出驚人的中國速度和中國強度：開工僅僅11個月，脈沖強磁場實驗裝置樣機系統(tǒng)就已研制完成。磁場強度從2009年的75特斯拉，到2013年的90.6特斯拉，不斷刷新我國脈沖磁場強度紀錄。

中國需要一顆強磁心

從素有脈沖強磁場發(fā)源地之稱的比利時魯汶大學回到國內(nèi)僅僅三年，上海科技大學李軍教授就在高溫超導材料領域取得突破。

“研究高溫超導材料，低溫、強磁場是必不可少的極端條件，我們需要60特斯拉以上的超強磁場，才能達到高溫超導材料的臨界磁場，從而了解材料在超導狀態(tài)下的物理特性。”李軍說，“國家脈沖強磁場科學中心比我在國外的實驗條件還要好，沒有他們的支持，進展肯定不會這么順利。”

磁現(xiàn)象是物質(zhì)的基本現(xiàn)象之一。首先，當物質(zhì)處在強磁場中，內(nèi)部電子結(jié)構可能發(fā)生改變，產(chǎn)生新現(xiàn)象。此外，物質(zhì)本身最重要的特性之一——電子結(jié)構(費米面)也能通過強磁場下量子振蕩的手段間接觀測出來。因此，自1913年以來，包括量子霍爾效應、分數(shù)量子霍爾效應、磁共振成像和第二類超導體等與磁場有關的諾貝爾獎有19項。強磁場與極低溫、超高壓一起，被列為現(xiàn)代科學實驗最重要的極端條件之一。

過去，修發(fā)賢教授長期在美國開展強磁場實驗，每年需要花費數(shù)十萬元不說，還得絞盡腦汁地寫申請、排隊等機時。歐美的強磁場實驗室雖然向所有科學家開放，但是少不了“挑肥揀瘦”。

即便很優(yōu)秀，也不是每次申請都能獲批。“去年我就被拒了一次，原因是一項實驗之前已經(jīng)做過。”修發(fā)賢對此無可奈何。但是，當國家脈沖強磁場科學中心建成，尤其是在脈沖平頂磁場和超高重頻磁場方面取得突破后，國外的強磁場已經(jīng)“吸引不了”他了。

一流的磁場買不來

2007年，被李培根校長“三顧茅廬”打動的李亮，告別妻女，放棄GE公司的高薪職位，只身來到武漢，主持脈沖強磁場實驗裝置的建設工作。

面對有限的科研資金、落后的導體材料，李亮與同事們費盡心思。

不同科學研究需要不同的磁場波形，為了提高裝置的運行效率，李亮把整個裝置設計成模塊化結(jié)構，由一套中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)3類電源和8個實驗站的靈活組合。這樣一來，就可以在同一科學實驗站的同一磁體上產(chǎn)生多種磁場波形，大幅提升了我國脈沖強磁場實驗裝置的科研產(chǎn)出。

“強磁場中心85%以上的材料、部件都是國產(chǎn)的。核心材料和部件是要不來、買不來、討不來的。”李亮自豪地說。

國家脈沖強磁場科學中心設備的每一個電路設計圖都由團隊自己繪制，每一個零件都是團隊自己安裝調(diào)試。磁體是脈沖強磁場裝置的核心部分，而磁體線圈的研制不僅要求十分嚴格，而且沒有“回頭路”，只能一次成功。負責手工纏繞磁體線圈的彭濤教授，常常“做夢都在繞磁體”，生怕出一點差錯。

中心常務副主任韓小濤教授負責的控制系統(tǒng)是讓裝置動起來的“中樞大腦”。強電流、強磁場和極低溫等極端條件對控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及安全性都提出了極為苛刻的要求，憑借團隊自力更生、艱苦奮斗的精神，控制系統(tǒng)運行至今，無一起嚴重控制故障。

正是有了創(chuàng)新“殺手锏”，國家脈沖強磁場科學中心成了一塊“磁鐵”，吸引國內(nèi)外頂尖人才造訪。北京大學、清華大學、中科院物理所、美國斯坦福大學、英國劍橋大學、德國德累斯頓強磁場實驗室等頂尖科研機構紛至沓來，在高溫超導、拓撲半金屬、分子磁體、石墨烯等領域取得豐碩成果，并在《科學》《自然》等期刊發(fā)表SCI收錄論文672篇。

[責任編輯：楊凡、穆楠]

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