支撐課題3000項(xiàng)，產(chǎn)生成果數(shù)千個(gè)—— 探秘世界最強(qiáng)“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場”實(shí)驗(yàn)裝置

圖為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置混合磁體。

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

【走近大國重器】

◎本報(bào)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(gè)別致的名字——“科學(xué)島”。

在這片遠(yuǎn)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(qiáng)磁場科學(xué)中心(以下簡稱“強(qiáng)磁場中心”)。2022年8月，該中心的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置(以下簡稱“實(shí)驗(yàn)裝置”)實(shí)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(jì)錄。

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

尖端研究平臺，國之重器

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

強(qiáng)磁場中心工程師汪文強(qiáng)向記者做起了科普——

強(qiáng)磁場，是開展前沿科學(xué)研究必不可少的一種極端實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在強(qiáng)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(shí)間長短，強(qiáng)磁場分為脈沖強(qiáng)磁場和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場可以根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，在一定時(shí)間和一定數(shù)值上保持穩(wěn)定。產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)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(qiáng)磁場，大家可能感覺很陌生，但實(shí)際上它早已進(jìn)入我們的生活。”汪文強(qiáng)說，“磁共振成像就是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)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(qiáng)走近實(shí)驗(yàn)裝置。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)大廳里，4根直徑約半米的傾斜鋼柱支撐起一個(gè)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(jì)錄的混合磁體。外面是室溫孔徑800毫米、磁場強(qiáng)度11.2萬高斯的超導(dǎo)磁體，里面是水冷磁體。”汪文強(qiáng)介紹，盡管外形龐大，但其內(nèi)部用于放置實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(qiáng)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(gè)、我國第一個(gè)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置，這個(gè)大國重器為科研人員提供了一個(gè)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(xiàng)與強(qiáng)磁場有關(guān)的成果榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。

在我國之前，僅美、法、荷、日四國建有穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置。2007年，國家批復(fù)建設(shè)這一重大科技設(shè)施。2008年，強(qiáng)磁場中心在“科學(xué)島”上應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過數(shù)年努力，項(xiàng)目于2017年竣工驗(yàn)收，多項(xiàng)指標(biāo)超額完成。

“這個(gè)大裝置中的水冷磁體，是用特殊設(shè)計(jì)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(qiáng)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(zhǔn)放置，絲毫不能錯(cuò)位，否則冷卻孔堵塞將導(dǎo)致水冷磁體不能及時(shí)散熱，易造成整個(gè)磁體燒毀。

“完全是摸著石頭過河!”回憶起建設(shè)過程，強(qiáng)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(jìn)行理論分析和模擬，再著手建設(shè)。”

科研團(tuán)隊(duì)先后遇到一系列棘手問題。比如所需的“銅銀合金”材料，當(dāng)時(shí)極為稀缺，為獲取這種材料，他們花費(fèi)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。科研人員只好與生產(chǎn)廠家商量，先支付費(fèi)用，且明確研發(fā)失敗費(fèi)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(shí)現(xiàn)從磁體運(yùn)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(jì)歷時(shí)5年，團(tuán)隊(duì)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(jì)使用的各種管材總長度達(dá)2460米，閥箱總共焊縫數(shù)量達(dá)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(dòng)地說：“國家交辦的任務(wù)圓滿完成，比領(lǐng)到大獎(jiǎng)還要高興!”

項(xiàng)目竣工驗(yàn)收并非終點(diǎn)，科研人員以此為起點(diǎn)不斷前行。

支撐多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，成果迭出

最近，南京大學(xué)物理學(xué)院王雷教授團(tuán)隊(duì)正在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置的混合磁體上，做二維材料的測試實(shí)驗(yàn)。

早在去年底，該團(tuán)隊(duì)就提出了實(shí)驗(yàn)申請。經(jīng)過強(qiáng)磁場中心專家委員會的嚴(yán)格評審，實(shí)驗(yàn)終于在今年3月中旬得以順利進(jìn)行。

“每年有大約70多個(gè)單位、數(shù)百個(gè)課題在這里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，時(shí)間從早上8點(diǎn)一直延續(xù)至深夜12點(diǎn)。”強(qiáng)磁場中心磁體運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)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(gè)裝置上面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”匡光力說。

2018年12月，復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢課題組依托實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)與中南大學(xué)夏慶林合作，依托實(shí)驗(yàn)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(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)。強(qiáng)磁場中心磁共振生命科學(xué)部則在27萬高斯的強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場可以干擾癌細(xì)胞內(nèi)的紡錘體，并且抑制癌細(xì)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(gè)，每一項(xiàng)都非常了不起。”匡光力說。

截至2023年底，實(shí)驗(yàn)裝置已為國內(nèi)外近200家單位3000余項(xiàng)課題提供了實(shí)驗(yàn)條件，助力論文產(chǎn)出近2500篇。與此同時(shí)，依托實(shí)驗(yàn)裝置研究產(chǎn)生的多項(xiàng)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(shí)生產(chǎn)力。

習(xí)近平總書記強(qiáng)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(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)設(shè)施’，建成后又將是一個(gè)大國新重器!”匡光力信心滿滿地表示，他將和團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)積極貢獻(xiàn)力量。