问题:强磁场是探索物质新现象、验证新理论的重要“放大镜”。
在低温、强磁场等极端条件下,材料的电子结构、磁性相变和超导机理等关键科学问题往往呈现出常规环境下难以观测的细节。
但长期以来,兼具高磁场强度、优良稳定性和可开放共享属性的全超导用户磁体属于国际前沿核心装备,突破难度大、系统门槛高,既考验材料能力,也考验工程集成与长期可靠运行能力。
原因:此次实现35.6特斯拉全超导用户磁体,源于国家重大科技基础设施的系统化布局与多学科协同攻关。
一方面,强磁场超导磁体需要在极低温条件下实现近零电阻运行,同时在高电磁力作用下保持结构安全和磁场品质,对磁场强度、均匀度、稳定度、有效口径以及持续运行可靠性提出“同时满足”的苛刻要求。
另一方面,高温超导材料在临界电流、力学性能等方面存在显著各向异性,屏蔽电流效应突出,叠加加工制造的尺寸偏差与一致性控制难题,容易引发磁体设计裕度不足、运行风险增大等工程瓶颈。
针对这些难点,中国科学院电工研究所与中国科学院物理研究所多年联合攻关,在磁体系统设计建造、电磁—机械安全裕度提升、健康监测、极低温高场精准测量以及多系统集成等方面形成一系列关键技术突破,为达到并稳定保持高磁场水平奠定基础。
影响:专家现场测试显示,该磁体中心磁场达到35.6特斯拉,可用孔径为35毫米,面向用户开展核磁共振、比热、电阻等多种测量提供条件。
与常见医用核磁共振1.5特斯拉或3特斯拉相比,这一磁场强度约为其12至24倍;与地磁场相比更是高出数十万倍。
更重要的是,该成果将全超导用户磁体的世界纪录从此前国际最高水平的32.0特斯拉提升至35.6特斯拉,在“可用孔径保持在可满足多数实验需求”的前提下实现跨越式跃升,体现出我国在强磁场全超导关键装备方面的整体能力和体系化优势。
随着综合极端条件实验装置于2025年2月通过国家验收并进入稳定运行阶段,我国在极端条件原创研究的“平台供给”进一步增强,有望推动凝聚态物理、材料科学、化学与相关交叉领域产出更多高水平成果,并带动高端科学仪器与关键零部件产业链升级。
对策:面向更广泛的科学问题与测量手段需求,下一步的关键在于“更强、更稳、更好用”。
一是持续提升磁体长期运行可靠性和安全冗余,完善在线监测与预警体系,降低高场运行风险,形成可复制、可推广的工程规范。
二是围绕高温超导材料与关键部件开展协同攻关,提升材料一致性与制造精度,减轻屏蔽电流等效应对磁场品质的影响,增强工程化可控性。
三是完善用户开放与实验配套体系,强化跨机构共享机制与实验流程标准化,提升装置运行效率与用户体验,让重大基础设施更快转化为科研产出与人才培养能力。
四是推动从单项指标突破向系统能力提升转变,统筹磁体、低温、测量、控制与数据体系,形成面向重大科学问题的综合解决方案。
前景:强磁场超导技术的突破不仅服务基础研究,也具有显著的外溢效应。
随着磁体孔径进一步扩大、磁场品质与稳定性持续提升,更多高精度谱学、显微与多物理场耦合测量将得到支撑,极端条件下的新材料发现、量子调控与高温超导机理研究等方向有望加速推进。
从应用角度看,相关关键技术与工程经验将对先进科学仪器、高端医疗装备、能源交通与国防特种装备等领域形成带动作用。
可以预期,依托国家重大科技基础设施的持续迭代,我国强磁场原创研究将从“跟跑、并跑”进一步走向“领跑”,并在关键核心技术自主可控上取得更大主动权。
这一世界纪录的创造充分体现了我国在基础科学研究和关键技术攻关中的实力。
从追赶到领先,从跟跑到并跑再到领跑,我国科技工作者在强磁场超导领域的突破正是这一历程的生动写照。
面向未来,随着磁体孔径的进一步扩大和性能的持续优化,这一装置将为国内外科研团队提供更加强大的研究平台,助力更多前沿科学发现,为国家战略科技力量的提升做出更大贡献。