世界領(lǐng)先的強(qiáng)磁場 中國建設(shè)的加速度

——走進(jìn)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心系列報(bào)道之一

本報(bào)記者 張 曄 劉志偉

把一塊材料放在相當(dāng)于地球磁感應(yīng)強(qiáng)度120萬倍的強(qiáng)磁場下，持續(xù)10毫秒，或者以毫秒級(jí)的時(shí)間間隔反復(fù)施加強(qiáng)磁場，會(huì)發(fā)生什么？

近日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心成功實(shí)現(xiàn)64特斯拉脈沖平頂磁場強(qiáng)度，創(chuàng)造了脈沖平頂磁場強(qiáng)度新的世界紀(jì)錄。在物理學(xué)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(cè)量熱電信號(hào)，研究材料的自旋動(dòng)力學(xué)，這對(duì)存儲(chǔ)材料的改進(jìn)提升將有極大的幫助。”復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢教授聽聞這個(gè)消息，一下找到了未來的科研方向，“這在國際上也是獨(dú)一無二的！”

中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)鑒定認(rèn)為，該項(xiàng)目在脈沖平頂磁場強(qiáng)度和高場重復(fù)頻率上創(chuàng)造了兩項(xiàng)世界紀(jì)錄，結(jié)束了我國強(qiáng)磁場下科學(xué)研究長期依賴國外裝置的歷史。

國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心對(duì)外開放運(yùn)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(lǐng)先的脈沖強(qiáng)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(qiáng)磁場科學(xué)中心迎來了20多位“磁性十足”的大咖。全球主要強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人和國際強(qiáng)磁場權(quán)威專家都已到齊。

他們不敢相信，中國人要公開進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，因?yàn)楫a(chǎn)生脈沖磁場的強(qiáng)大電流和電磁應(yīng)力，隨時(shí)會(huì)“爆表”。在此之前，國際上從來沒一個(gè)實(shí)驗(yàn)室敢公開進(jìn)行高參數(shù)實(shí)驗(yàn)演示，德國德累斯頓強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室就曾在公開演示中發(fā)生過磁體爆炸。

1個(gè)控制中心，8個(gè)實(shí)驗(yàn)站，整整1天實(shí)驗(yàn)，外國專家們閉門討論3個(gè)小時(shí)。當(dāng)會(huì)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(qiáng)磁場設(shè)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(píng)價(jià)。

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

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

從無到有、從弱到強(qiáng)，國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心創(chuàng)造出驚人的中國速度和中國強(qiáng)度：開工僅僅11個(gè)月，脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)系統(tǒng)就已研制完成。磁場強(qiáng)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(qiáng)度紀(jì)錄。

中國需要一顆強(qiáng)磁心

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

“研究高溫超導(dǎo)材料，低溫、強(qiáng)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(qiáng)磁場，才能達(dá)到高溫超導(dǎo)材料的臨界磁場，從而了解材料在超導(dǎo)狀態(tài)下的物理特性。”李軍說，“國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心比我在國外的實(shí)驗(yàn)條件還要好，沒有他們的支持，進(jìn)展肯定不會(huì)這么順利。”

磁現(xiàn)象是物質(zhì)的基本現(xiàn)象之一。首先，當(dāng)物質(zhì)處在強(qiáng)磁場中，內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)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(gòu)(費(fèi)米面)也能通過強(qiáng)磁場下量子振蕩的手段間接觀測(cè)出來。因此，自1913年以來，包括量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、磁共振成像和第二類超導(dǎo)體等與磁場有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)有19項(xiàng)。強(qiáng)磁場與極低溫、超高壓一起，被列為現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)，每年需要花費(fèi)數(shù)十萬元不說，還得絞盡腦汁地寫申請(qǐng)、排隊(duì)等機(jī)時(shí)。歐美的強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室雖然向所有科學(xué)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(qǐng)都能獲批。“去年我就被拒了一次，原因是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)之前已經(jīng)做過。”修發(fā)賢對(duì)此無可奈何。但是，當(dāng)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)工作。

面對(duì)有限的科研資金、落后的導(dǎo)體材料，李亮與同事們費(fèi)盡心思。

不同科學(xué)研究需要不同的磁場波形，為了提高裝置的運(yùn)行效率，李亮把整個(gè)裝置設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，由一套中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3類電源和8個(gè)實(shí)驗(yàn)站的靈活組合。這樣一來，就可以在同一科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置的科研產(chǎn)出。

“強(qiáng)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(qiáng)磁場科學(xué)中心設(shè)備的每一個(gè)電路設(shè)計(jì)圖都由團(tuán)隊(duì)自己繪制，每一個(gè)零件都是團(tuán)隊(duì)自己安裝調(diào)試。磁體是脈沖強(qiáng)磁場裝置的核心部分，而磁體線圈的研制不僅要求十分嚴(yán)格，而且沒有“回頭路”，只能一次成功。負(fù)責(zé)手工纏繞磁體線圈的彭濤教授，常常“做夢(mèng)都在繞磁體”，生怕出一點(diǎn)差錯(cuò)。

中心常務(wù)副主任韓小濤教授負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)是讓裝置動(dòng)起來的“中樞大腦”。強(qiáng)電流、強(qiáng)磁場和極低溫等極端條件對(duì)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(tuán)隊(duì)自力更生、艱苦奮斗的精神，控制系統(tǒng)運(yùn)行至今，無一起嚴(yán)重控制故障。

正是有了創(chuàng)新“殺手锏”，國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心成了一塊“磁鐵”，吸引國內(nèi)外頂尖人才造訪。北京大學(xué)、清華大學(xué)、中科院物理所、美國斯坦福大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、德國德累斯頓強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室等頂尖科研機(jī)構(gòu)紛至沓來，在高溫超導(dǎo)、拓?fù)浒虢饘佟⒎肿哟朋w、石墨烯等領(lǐng)域取得豐碩成果，并在《科學(xué)》《自然》等期刊發(fā)表SCI收錄論文672篇。

[責(zé)任編輯：楊凡、穆楠]

想爆料？請(qǐng)登錄《陽光連線》（ https://minsheng.iqilu.com/）、撥打新聞熱線0531-66661234或96678，或登錄齊魯網(wǎng)官方微博（@齊魯網(wǎng)）提供新聞線索。齊魯網(wǎng)廣告熱線0531-81695052，誠邀合作伙伴。