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走进国家脉冲强磁场科学中心:中国建设的加速度

2019-01-14 09:49来源:科技日报

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  世界领先的强磁场 中国建设的加速度

  ——走进国家脉冲强磁场科学中心系列报道之一

  本报记者 张 晔 刘志伟

  把一块材料放在相当于地球磁感应强度120万倍的强磁场下,持续10毫秒,或者以毫秒级的时间间隔反复施加强磁场,会发生什么?

  近日,国家重大科技基础设施、华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心成功实现64特斯拉脉冲平顶磁场强度,创造了脉冲平顶磁场强度新的世界纪录。在物理学家看来,这无异于开辟了研究微观物质世界的新天地。

  “我们可以用它测量热电信号,研究材料的自旋动力学,这对存储材料的改进提升将有极大的帮助。”复旦大学修发贤教授听闻这个消息,一下找到了未来的科研方向,“这在国际上也是独一无二的!”

  中国电机工程学会鉴定认为,该项目在脉冲平顶磁场强度和高场重复频率上创造了两项世界纪录,结束了我国强磁场下科学研究长期依赖国外装置的历史。

  国家脉冲强磁场科学中心对外开放运行4年来,取得了包括近90年来首次发现的全新规律量子振荡现象等一大批创新成果,成功跻身国际领先的脉冲强磁场行列。

  后来者创造加速度

  2013年10月,山水逶迤的武汉东湖畔,国家脉冲强磁场科学中心迎来了20多位“磁性十足”的大咖。全球主要强磁场实验室负责人和国际强磁场权威专家都已到齐。

  他们不敢相信,中国人要公开进行实验演示,因为产生脉冲磁场的强大电流和电磁应力,随时会“爆表”。在此之前,国际上从来没一个实验室敢公开进行高参数实验演示,德国德累斯顿强磁场实验室就曾在公开演示中发生过磁体爆炸。

  1个控制中心,8个实验站,整整1天实验,外国专家们闭门讨论3个小时。当会议室大门打开的那一刻,中心主任李亮教授紧锁的眉头终于舒展,“这里的脉冲强磁场设施已经跻身于世界上最好的脉冲场之列”,国际同行给出评价。

  上世纪80年代后期,高温超导成为热门研究领域,传统的稳态强磁场已经力不从心。欧美发达国家开始加大磁场强度更高的脉冲强磁场建设,而我国在脉冲强磁场设施方面,基本是空白。

  中国工程院院士潘垣敏锐地意识到,我国要想在凝聚态物理、材料、化学和生命等基础前沿科学方面的研究进入国际前列,就必须建设世界一流水平的脉冲强磁场装置。

  从无到有、从弱到强,国家脉冲强磁场科学中心创造出惊人的中国速度和中国强度:开工仅仅11个月,脉冲强磁场实验装置样机系统就已研制完成。磁场强度从2009年的75特斯拉,到2013年的90.6特斯拉,不断刷新我国脉冲磁场强度纪录。

  中国需要一颗强磁心

  从素有脉冲强磁场发源地之称的比利时鲁汶大学回到国内仅仅三年,上海科技大学李军教授就在高温超导材料领域取得突破。

  “研究高温超导材料,低温、强磁场是必不可少的极端条件,我们需要60特斯拉以上的超强磁场,才能达到高温超导材料的临界磁场,从而了解材料在超导状态下的物理特性。”李军说,“国家脉冲强磁场科学中心比我在国外的实验条件还要好,没有他们的支持,进展肯定不会这么顺利。”

  磁现象是物质的基本现象之一。首先,当物质处在强磁场中,内部电子结构可能发生改变,产生新现象。此外,物质本身最重要的特性之一——电子结构(费米面)也能通过强磁场下量子振荡的手段间接观测出来。因此,自1913年以来,包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像和第二类超导体等与磁场有关的诺贝尔奖有19项。强磁场与极低温、超高压一起,被列为现代科学实验最重要的极端条件之一。

  过去,修发贤教授长期在美国开展强磁场实验,每年需要花费数十万元不说,还得绞尽脑汁地写申请、排队等机时。欧美的强磁场实验室虽然向所有科学家开放,但是少不了“挑肥拣瘦”。

  即便很优秀,也不是每次申请都能获批。“去年我就被拒了一次,原因是一项实验之前已经做过。”修发贤对此无可奈何。但是,当国家脉冲强磁场科学中心建成,尤其是在脉冲平顶磁场和超高重频磁场方面取得突破后,国外的强磁场已经“吸引不了”他了。

  一流的磁场买不来

  2007年,被李培根校长“三顾茅庐”打动的李亮,告别妻女,放弃GE公司的高薪职位,只身来到武汉,主持脉冲强磁场实验装置的建设工作。

  面对有限的科研资金、落后的导体材料,李亮与同事们费尽心思。

  不同科学研究需要不同的磁场波形,为了提高装置的运行效率,李亮把整个装置设计成模块化结构,由一套中央控制系统实现3类电源和8个实验站的灵活组合。这样一来,就可以在同一科学实验站的同一磁体上产生多种磁场波形,大幅提升了我国脉冲强磁场实验装置的科研产出。

  “强磁场中心85%以上的材料、部件都是国产的。核心材料和部件是要不来、买不来、讨不来的。”李亮自豪地说。

  国家脉冲强磁场科学中心设备的每一个电路设计图都由团队自己绘制,每一个零件都是团队自己安装调试。磁体是脉冲强磁场装置的核心部分,而磁体线圈的研制不仅要求十分严格,而且没有“回头路”,只能一次成功。负责手工缠绕磁体线圈的彭涛教授,常常“做梦都在绕磁体”,生怕出一点差错。

  中心常务副主任韩小涛教授负责的控制系统是让装置动起来的“中枢大脑”。强电流、强磁场和极低温等极端条件对控制系统的可靠性、稳定性及安全性都提出了极为苛刻的要求,凭借团队自力更生、艰苦奋斗的精神,控制系统运行至今,无一起严重控制故障。

  正是有了创新“杀手锏”,国家脉冲强磁场科学中心成了一块“磁铁”,吸引国内外顶尖人才造访。北京大学、清华大学、中科院物理所、美国斯坦福大学、英国剑桥大学、德国德累斯顿强磁场实验室等顶尖科研机构纷至沓来,在高温超导、拓扑半金属、分子磁体、石墨烯等领域取得丰硕成果,并在《科学》《自然》等期刊发表SCI收录论文672篇。

[责编:张璋]

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