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中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心的磁體大廳內(nèi)，28名來自北京大學(xué)物理學(xué)院的學(xué)生盯著眼前高6米的“龐然大物”討論得熱火朝天?！斑@是我們北大物理學(xué)院赴安徽合肥進行‘大思政課’社會實踐的第一站，同學(xué)們都知道這里十幾天前誕生了一項全新的世界紀(jì)錄，他們不僅為祖國驕傲，更是對此充滿著好奇?！睅ш犂蠋煛⒈本┐髮W(xué)物理學(xué)院研究員賈爽說。 這到底是一項怎樣的世界紀(jì)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(chǔ)設(shè)施“穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置”實現(xiàn)重大突破，其混合磁體產(chǎn)生了45.22萬高斯，即45.22特斯拉（T）的穩(wěn)態(tài)磁場。由多位中國科學(xué)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(lǐng)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(shù)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(zhǔn)確地旋轉(zhuǎn)指向南方?！敝袊茖W(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力研究員說，“換句話說，45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場相當(dāng)于地球磁場的90多萬倍?！? 更為引人關(guān)注的是，這是一項中國創(chuàng)造的全新世界紀(jì)錄。原世界紀(jì)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(chǎn)生了45萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場，創(chuàng)造了當(dāng)時的世界紀(jì)錄，并入選“吉尼斯世界紀(jì)錄大全”。23年過去，雖然全世界各大穩(wěn)態(tài)強磁場實驗室一直在努力嘗試，可45萬高斯的紀(jì)錄卻再也沒有被打破。 據(jù)了解，強磁場是現(xiàn)代科學(xué)實驗最重要的極端條件之一，能夠催生很多重大發(fā)現(xiàn)，世界科技強國一直都非常重視強磁場實驗室的建設(shè)，如美國、法國、荷蘭、日本等。曾經(jīng)很長一段時間里，我國強磁場領(lǐng)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(xué)島的國家大科學(xué)裝置穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置開工建設(shè)，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(dǎo)磁體和1臺混合磁體。其中，混合磁體是國際上技術(shù)難度最高的磁體，也是能夠產(chǎn)生最高穩(wěn)態(tài)磁場的磁體?！?016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(jì)錄，是我們多年來矢志不移堅持自主創(chuàng)新的結(jié)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(wěn)態(tài)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(guān)鍵核心技術(shù)，在祖國的大地上創(chuàng)造最高穩(wěn)態(tài)磁場”便成了團隊心中的一個火種。 “產(chǎn)生更可能高的磁場，是全世界強磁場實驗室首要的科學(xué)任務(wù)。近六年的時間里，我們共經(jīng)歷過三次大的失敗，小的挫敗就更不用說了?！蓖帐〉那榫?，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(shù)字被提高到了43.9T，距離沖擊世界紀(jì)錄看似僅一步之遙，卻都以失敗告終。 最讓人揪心的事發(fā)生在2021年4月，混合磁體達到40T后，相關(guān)數(shù)據(jù)便停滯不前，第三次沖擊就這樣以令人沮喪的結(jié)果收場。 “尤其是在第三次失敗后，對大家打擊很大?！敝袊茖W(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心副研究員房震告訴記者，混合磁體由內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體組合而成，此次混合磁體性能提升的關(guān)鍵在于水冷磁體。為此，團隊成立了“混合磁體關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)小組”和“高場磁體技術(shù)青年創(chuàng)新突擊隊”，再次向世界紀(jì)錄發(fā)起沖鋒。 在詳細分析了以往沖擊世界紀(jì)錄失敗的原因之后，針對混合磁體性能提升，大家得出了統(tǒng)一結(jié)論：必須對內(nèi)水冷磁體中高場線圈技術(shù)進行根本性的革新，才能保證混合磁體邁過45T這一大關(guān)。很快，團隊提出了一套創(chuàng)新性的技術(shù)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(shè)計采用了多項深層次的創(chuàng)新技術(shù)，即使是很細微的創(chuàng)新，從構(gòu)想變成現(xiàn)實，都會遇到不小的挑戰(zhàn)。 房震坦言，攻關(guān)小組和青年創(chuàng)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(shù)創(chuàng)新工作到半夜也是家常便飯?！按蠹也粩鄡?yōu)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?！狈空鹫f。 最強穩(wěn)態(tài)磁場逐漸浮出水面 2022年夏。氣象數(shù)據(jù)顯示，全國多地都在經(jīng)歷自1961年有完整氣象記錄以來的最強高溫。此時，最強穩(wěn)態(tài)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(fā)生在7月15日下午。 “當(dāng)天的聯(lián)調(diào)實驗現(xiàn)場像極了觀看一場體育比賽?！焙芏嘣趫鋈藛T在事后回憶。 1萬安培、2萬安培……所有參數(shù)保持正常穩(wěn)定。電流每增加1萬安培，穩(wěn)態(tài)磁場都會上一個臺階，這時候一般也會停頓十幾秒?！巴ｎD是為了看磁場狀態(tài)穩(wěn)不穩(wěn)，說實話每當(dāng)停頓時，都挺煎熬的。”強磁場科學(xué)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(xiàn)了“混合磁體總場強：45.2T”的字樣，現(xiàn)場的歡呼聲與掌聲一時間此起彼伏。 “可以說，突破的關(guān)鍵還是我們對水冷磁體結(jié)構(gòu)進行了比較深層次的改進，能夠很好地平衡電磁力?！敝袊茖W(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心研究員陳思躍說，這次沖擊世界紀(jì)錄的成功，得益于團隊的10多項技術(shù)創(chuàng)新，其中包括中心線圈尺寸與磁場貢獻的優(yōu)化、新絕緣材料的使用、水冷槽工藝的改進以及液壓技術(shù)的采用等等。 當(dāng)天實驗的種種跡象表明，高于45T的數(shù)據(jù)可以重復(fù)，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(fù)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(chǎn)生了45.22T的穩(wěn)態(tài)磁場，一舉打破了塵封23年的世界紀(jì)錄。 “實現(xiàn)45.22T的穩(wěn)態(tài)磁場，意味著人類操控磁場的能力達到新高度，讓科學(xué)家做研究時看得更準(zhǔn)、更清晰?！睂τ谄渲械碾y度，中國科學(xué)院院士葉朝輝打了一個形象的比方：“人類目前的百米紀(jì)錄是9秒58，這是不是人類的極限還無法確定，但在此基礎(chǔ)上哪怕縮短0.01秒，都是難度極大的事。” 葉朝輝說：“就像穩(wěn)態(tài)強磁場，達到45T以后，在此基礎(chǔ)上每提升一點點，都需要大量的工作，不僅包括材料、技術(shù)、工藝、能源保障等方面的改進，更需要研究和設(shè)計思路上的創(chuàng)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(xué)發(fā)現(xiàn)的‘利器’，穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件對物理、化學(xué)、材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的研究，都具有重要作用?！笨锕饬榻B，物理學(xué)家克勞斯·馮·克利青就因1980年在法國強磁場實驗室發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)而獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎。 就在合肥科學(xué)島穩(wěn)態(tài)強磁場刷新世界紀(jì)錄的第三天，美國國家強磁場實驗室主任Greg Boebinger發(fā)來賀信：“全球范圍內(nèi)對于只能在超強穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)磁場的混合磁體，我們感到很高興?！彼诮邮苊襟w采訪時表示：“這是一群優(yōu)秀的工程師和科學(xué)家取得的一項里程碑式的成就?！? “大科學(xué)裝置具有鮮明的科學(xué)和工程雙重屬性，我們現(xiàn)在的混合磁體產(chǎn)生了全球范圍內(nèi)目前可支持科學(xué)研究的最高穩(wěn)態(tài)磁場，可以為接下來很多學(xué)科領(lǐng)域的課題研究，提供更好的實驗條件?！笨锕饬φf。 穩(wěn)態(tài)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(chuàng)造新高以后，實驗用戶們也都很興奮。復(fù)旦大學(xué)物理系教授張遠波說：“此次合肥穩(wěn)態(tài)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(lǐng)域獲得更多新發(fā)現(xiàn)?！蹦壳埃b置運行人員正在安排用戶陸續(xù)開展混合磁體上的實驗。 “穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置作為新時代建成的‘國之重器’，未來將繼續(xù)發(fā)揮重要作用?！笨锕饬φf。
