華科大國家脈沖強磁場科學中心的“國之重器”

華科大國家脈沖強磁場科學中心的“國之重器”

世界最好的脈沖強磁場設施

  將一個材料放在比地球磁場強度高百萬倍的強磁場下,會發生什么?

  在物理學家看來,強磁場是研究材料本質特性的“放大鏡”,磁場越強,放大倍數越高。過去20多年,10項諾貝爾獎與強磁場研究密切相關。

  湖北就有一座世界上最好的脈沖強磁場設施--位于華中科技大學的國家脈沖強磁場科學中心,它是教育部直屬高校首個國家重大科技基礎設施,是強磁場科學、技術及應用研究的國家級大科學平臺,是物理、化學、材料和生物醫學等多學科領域科學研究的“國之重器”。

  中國需要強磁場

  9月28日,華中科技大學東校區,一棟綠樹草坪環繞的弧形灰色建筑略顯低調,但“國家脈沖強磁場科學中心”“脈沖強磁場國家重大科技基礎設施”兩塊金色牌匾彰顯了其重要地位。

  走進這棟建筑,強磁場設施沙盤模型位于大廳中央,白色儀器設備、綠色金屬框架、橙色線圈金屬管,設備與線路緊湊復雜,沙盤模型好似一塊集成電路板。

  穿過大廳后的金屬門,是脈沖強磁場設施控制中心,兩名工作人員對著8塊監控屏,在電腦上反復比對著實驗數據。順著控制中心再往里走,是約4000平方米的脈沖強磁場設施設備間,這里各式線圈、電路、儀器琳瑯滿目,好似一片由金屬構成的“熱帶雨林”。

  “磁場強度越高,對于物質系統的電子能態改變就越大,就能給科學創新提供更多機遇。”國家脈沖強磁場科學中心主任李亮介紹,強磁場與極低溫、超高壓一起,被列為現代科學實驗最重要的極端條件之一。當物質處在強磁場中,內部電子結構可能發生改變,產生新現象。自1913年以來,包括量子霍爾效應、分數量子霍爾效應和磁共振成像等與磁場有關的諾貝爾獎有19項。

  脈沖強磁場設施于2008年4月開工建設,2013年10月建成,由磁體、電源、控制和測量等子系統組成。設施峰值磁場強度達到90.6T(T為“特斯拉”,1特斯拉相當于地球磁感應的2萬倍),并實現世界領先的小電阻樣品上微伏級信號的精準測量。

  2018年11月22日,國家脈沖強磁場科學中心成功實現兼具高場強和高平頂穩定度的64T脈沖平頂磁場,創造了脈沖平頂磁場強度新的世界紀錄,并實現了45T/50Hz(赫茲)的超高重頻磁場,將國際同類磁場重復頻率提高2個數量級。

  該中心技術總監潘垣院士說,過去,國內沒有脈沖強磁場實驗設備,高校院所進行相關研究只有借助歐美國家的實驗室來完成,不但每年要花數十萬元,還要絞盡腦汁寫申請、排隊等時機,有的國內科研團隊一年一項實驗都無法保證,嚴重制約了我國強磁場科研進展。我國要想在凝聚態物理、材料、化學和生命等基礎前沿科學方面的研究進入國際前列,就必須建設世界一流水平的脈沖強磁場裝置。

  一流磁場買不來

  上世紀80年代后期,高溫超導成為熱門研究領域,歐美發達國家紛紛建設磁場強度更高的脈沖強磁場,而我國在這方面基本是空白。

  2007年,在美國GE公司擔任技術骨干的李亮,被時任華中科技大學校長李培根院士的一再相邀所打動,毅然回國主持建設脈沖強磁場設施。面對科研經費捉襟見肘、導體材料強度差、電源功率小等一大堆難題,李亮及其團隊成員絞盡了腦汁。“強磁場中心的核心材料、部件都是國產的,一流的磁場是買不來、討不來的。”李亮說,該中心設備每一張電路設計圖、每一個零件都是團隊自己繪制和安裝調試的。開工僅11個月,脈沖強磁場設施樣機系統就已研制完成;磁場強度從2009年的75特斯拉,到2013年的90.6特斯拉,4年時間完成了美國20年的歷程。

  脈沖強磁場設施建設水平和運行成效得到了國內外同行高度評價。2013年10月,美、德、法等國家強磁場實驗室主任及權威專家等組成的國際評估專家組現場評估后,認為該設施“工程上的成就超越國際同類水平,躋身世界最好的強磁場設施”。

  2018年5月,國際評估專家組評估認為,該設施“支撐基礎前沿研究方面發揮了重要作用,運行水平國際領先”。2018年,該設施獲評湖北省科技進步特等獎。

  截至今年6月,該設施累計運行43576小時,為北大、清華、哈佛、劍橋等83所頂級高校或科研機構提供1055項科學研究服務,有關學者在Nature、Science、PRL等期刊發表論文776篇,同期成果產出優于美、德同類設施,在物理、化學、材料等多個學科領域取得重要進展。

  “電磁制造”不是夢

  隨著國家脈沖強磁場科學中心的建設運行,該中心已成為吸引高水平人才的“強磁場”,逐步形成了一支具有國際學術影響力的科研隊伍。

  “下一步,科學中心需要向‘電磁制造’等行業應用上深度擴展,進一步發揮光和熱。”李亮表示,“先進電磁制造”是科學中心積極拓展的新方向,將脈沖強磁場技術應用到材料成形加工領域,可在毫秒時間內將板管類零件直接成形,具有高速率、非接觸、柔性環保等特點,能為不同材質金屬的常溫焊接、大型輕質合金板件的整體成形等技術領域帶來顛覆性的改變。此外,基于電磁脈沖的大型永磁設備整體充磁技術,在風力發電、磁共振成像等新能源、生物醫學產業也有廣泛的應用前景。

  談到未來規劃,李亮表示,科學中心將協同推進脈沖強磁場科學、技術和應用三個方面的研究,建成面向國際科技前沿的強磁場前沿科學中心、引領核心技術發展的強磁場技術研發中心和解決國家重大需求的強磁場工程應用中心。“未來,脈沖強磁場科學中心將在體制機制上不斷創新,讓設施更持久、更高質量服務全球科學家,將其打造成全球共享、多學科交叉的大平臺。”他說。(劉天縱 程遠)

責任編輯:韓安然

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