地球磁場約等于0.5高斯，這0.5高斯的強度就擁有足夠的力量撥動指南針，使指南針的指針從任何方向旋轉后都準確地再指向南方。

8月12日，中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研制的國家穩態強磁場實驗裝置再攀“科技高峰”，其混合磁體產生了45.22萬高斯（即45.22特斯拉，1特斯拉＝10000高斯）的穩態磁場，刷新了同類型磁體的世界紀錄，成為目前全球范圍內可支持科學研究的最高穩態磁場。45.22萬高斯相當于地球磁場的90多萬倍。這項世界紀錄的突破意味著什么？有了這樣的強磁場，能做哪些研究？讓我們走進國家穩態強磁場實驗裝置一探究竟。

45.22萬高斯，這個世界紀錄來之不易

(資料圖)

走進合肥“科學島”強磁場科學中心，6米高的穩態強磁場實驗裝置引人注目。二樓控制室內，大屏幕顯示著各項參數，在這里，任何細微的變化都處于科研人員的監控之下。

國家穩態強磁場實驗裝置是 “十一五”期間國家發改委批準立項的重大科技基礎設施，共包括10臺磁體：5臺水冷磁體、4臺超導磁體和1臺混合磁體。其中，混合磁體是國際上技術難度最高的磁體，也是能夠產生最高穩態磁場的磁體，從結構上看，它由外“超導磁體”和內“水冷磁體”組合而成。 2016年，強磁場團隊自主研制成功中心場強達40萬高斯的混合磁體，一舉躋身世界第二。在合肥綜合性國家科學中心強光磁預研項目的支持下，經過5年多緊張的技術攻關，強磁場團隊創新了磁體結構、研發了新材料、優化了制造工藝，終于取得重大技術突破。此次國家穩態強磁場實驗裝置的混合磁體在26.9兆瓦的電源功率下產生45.22萬高斯的穩態強磁場，達到國際領先水平，成為我國科學實驗極端條件建設乃至世界強磁場技術發展的重要里程碑。

很多人可能會問：美國國家強磁場實驗室混合磁體1999年產生了45特斯拉穩態磁場，這個世界紀錄保持了23年。合肥研究院混合磁體產生的45.22特斯拉，僅僅高出0.22特斯拉。增加0.22特斯拉為何這么難？中科院院士、中科院精密測量科學與技術創新研究院研究員葉朝輝用一個形象的比喻進行說明：“人類目前的百米紀錄是9秒58，這是不是人類的極限還無法確定，但在此基礎上哪怕縮短0.01秒，都是難度極大的事。同樣，穩態強磁場達到45特斯拉以后，在此基礎上每提升一點點，都需要大量工作，不僅包括材料、技術、工藝、能源保障等方面的改進，更需要研究和設計思路上的創新。 ”

隨著科學研究不斷向廣度拓展、向深度進軍，科學家必須借助精度更高、功能更強的設施設備進行研究。可以說，重大科技基礎設施直接關系到建設科技強國的核心競爭力。葉朝輝說：“此次國家穩態強磁場實驗裝置的混合磁體刷新世界紀錄，凸顯了我國大科學裝置建設的成效，相信可以促進包括物理、化學、材料、生命健康等領域在內的基礎研究和應用研究取得進步。 ”

強磁場，現代科學實驗最重要極端條件之一

強磁場與極低溫、超高壓一樣，被列為現代科學實驗最重要的極端條件之一，物質結構和狀態在強磁場環境下都可能發生變化，呈現出多樣的物理、化學現象和效應。數十年來，世界各國學者在此領域的科學研究一直非常活躍，取得了大批原創性重大成果，并推動了相關新興高技術產業的發展。自1913年以來，19項與強磁場有關的成果獲得諾貝爾獎，僅近20年就有8項。發達國家競相將穩態強磁場實驗裝置作為重大科技基礎設施建設的重點。

我國要在生命科學、醫學、功能材料和器件研究方面趕上世界先進水平，迫切需要盡快建立世界水平的強磁場實驗裝置。近年來，強磁場作為一種極端條件在很多研究領域的重要作用愈發顯現。一方面，強磁場可以誘導新物態，有效調控材料中的電荷、自旋、軌道等，使之出現全新的量子態，從而呈現出豐富的新現象。另一方面，強磁場可以催生新的重大應用技術，特別是目前在化學、生物醫學領域廣泛應用的結構解析和非侵入性成像——核磁共振技術。

國家穩態強磁場實驗裝置自投入運行以來，截至目前已運行超50萬個機時，為國內外170多家單位提供了實驗條件，在物理、化學、材料、生命健康、工程技術等領域開展了超過3000項課題的前沿研究，取得一系列重大科技成果。比如，首次發現外爾軌道導致的三維量子霍爾效應，揭示日光照射改善學習記憶的分子及神經環路機制等。與此同時，研發裝置衍生的成果和依托裝置研究產生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術、國家Ⅰ類抗癌創新靶向藥物等，成功轉化為現實生產力。

“國家穩態強磁場實驗裝置的混合磁體產生世界最高的穩態磁場，有力提升了支撐科學家們開展物質科學研究的實驗條件，將在低功耗電子材料等研究中發揮不可或缺的關鍵作用。 ”中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心學術主任、強磁場安徽省實驗室主任、強光磁預研項目負責人匡光力表示，隨著混合磁體產生的磁場強度的提高，其開放共享水平、用戶服務水平也將得到大幅提升，必將成為支撐我國科技創新的一大“利器”。

“沿途下蛋”，強磁場實驗裝置衍生多項科技成果

強磁場對于生命科學研究有重要作用。比如在醫院里，磁共振成像就利用了強磁場技術。再比如，科研人員發現27特斯拉穩態強磁場影響腫瘤細胞有絲分裂過程中紡錘體的取向。細胞有絲分裂是親代細胞將遺傳物質等精確平均地分配到兩個子代細胞的過程，是決定細胞命運的關鍵步驟，對維持細胞的正常生理功能和生物體的生長發育至關重要，更是腫瘤細胞惡性繁殖的關鍵。還有，強磁場是一種獨特的條件，可以改變材料，甚至創造新材料。比如強磁場可以幫助硅的提純，實現更高等級的單晶硅材料，衍生更好的電子產品，而硅是現代半導體電子工業的核心。又比如，強磁場可以幫助高溫超導材料的研發。超導狀態下的材料電阻可以忽略，這意味著電力的輸送將不會有任何損耗。而目前超導都是低溫狀態下實現的，科學家正在努力提高超導材料的臨界溫度，強磁場是這一實用價值極高的研究中不可或缺的手段。

近年來，科研人員依托穩態強磁場實驗裝置已產生多項重大科技成果。裝置用戶強磁場科學中心王俊峰研究員課題組，在裝置所屬的超導磁體支持下，對糖尿病候選藥物 FGF21進行改造后制成FGF21SS，糖尿病小鼠實驗結果表明FGF21SS表現出更加優異的降血糖、減體重效果，具有良好的成藥性，有望在完成臨床轉化后用于糖尿病、肥胖和非酒精性脂肪肝等慢性代謝性疾病治療。相關研究成果發表于國際期刊，并已申請國家發明專利和國際專利保護，目前已與多家企業達成協議共同推進臨床試驗和產業化工作。

此外，科研人員在自主研制國際首創的惡劣條件掃描隧道—磁力—原子力組合顯微鏡成像技術方面取得重要進展。通過自主研制的發明專利技術，可以在液氦低溫、18—20特斯拉強磁場中實現樣品的原子分辨的掃描隧道顯微鏡測量，以及原子力顯微鏡和磁力顯微鏡測量。本產品已有樣機出臺，屬于國際領先技術。基于在半導體工業、電子材料等重要領域的應用，其潛在市場空間巨大，并能夠帶動真空、低溫、強磁場等多種大型設備市場的顯著發展。

穩態強磁場實驗裝置混合磁體刷新世界紀錄，也為強磁場科學中心規劃建設的另一個大科學裝置——“強光磁集成實驗設施”奠定了重要基礎。“強光磁集成實驗設施”是由中國科學院合肥物質科學研究院、安徽大學、中國科學技術大學聯合向國家發改委申報的國家“十四五”重大科技基礎設施項目，經多輪評審，列為“備選項目、擇機啟動”。該設施包括以55T混合磁體、36T超導磁體為代表的具有世界最高穩態磁場強度的系列磁體裝置，以及依托微波、紅外/太赫茲、可見光等系列先進波源，建設一批強磁場下光-磁集成測量系統，其主要科學目標是解決新型電子材料研發、高溫超導機理研究與應用、生命過程本質探索、新藥創制以及特種功能材料制備等國家重大需求中的瓶頸問題。（安徽日報記者 汪永安）

關鍵詞： 科學中心 超導磁體 世界紀錄 科技成果 科學研究院