中国再破纪录：为什么稳态强磁场提升零点几万高斯这么重要？

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2024年9月22日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心宣布，其自主研制的水冷磁体产生了42.02万高斯（即42.02特斯拉）的稳态磁场，打破了美国国家强磁场实验室水冷磁体在2017年的41.4万高斯的世界纪录，成为国际强磁场水冷磁体技术发展的新里程碑。

那么，究竟为什么要建设稳态强磁场装置？如此之高的磁场，究竟有什么科学用途？为什么要不断突破强磁场的世界记录呢？

磁场可能对大家来说都非常熟悉。我们生活的地球，就是一个体积巨大的“磁体”。早在公元前600多年，古希腊的泰勒斯就记载了“磁石吸铁”的物理现象。900多年前的北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》里就详细介绍了地磁场及其磁偏角的现象，400多年前的英国科学家吉尔伯特出版了著作《论磁石，磁体和地球大磁石》。但是，地球的磁场究竟有多大呢？大约是0.3~0.6 高斯。这里的高斯是一名数学家的名字，也是磁场强度H的基本单位，简写为G。稍微解释一下，我们常用的特斯拉T，是磁感应强度B的基本单位，和磁场强度差了一个真空磁导率系数μ0，所以1 特斯拉（T）等10000高斯（G），0.5 高斯的地磁场，对应的磁感应强度仅仅是十万分之五特斯拉。可是，即便如此之弱的地磁场，却足以让地球上的小磁针发生偏转并指向南北方向，也让鸟类和鲸鱼等实现了远距离“导航”。更重要的是，地磁场让大多数来自太阳和宇宙深处的带电高能粒子绕行两极，是地球上大气、水资源和每一个生命体的重要“保护伞”。

除了天然的地磁场，毫无疑问，如今人们的生活已经离不开人工磁场的使用。小到玩具、手机、电脑乃至各类家用电器，大到火车、飞机、轮船，甚至是宇宙飞船和空间站，还有医院的核磁共振、未来的可控核聚变，以及基础科研实验用的各类强磁体和粒子加速器，几乎都需要用到磁场。因此，研究磁场的产生原理和材料对磁场的各种响应，设计并建造出更强更好用的磁场环境，将各类磁体指标推向更高的极限，是科研人员一直以来的追求和挑战。

产生磁场的方式有两种：永磁铁和电磁铁。天然磁石（主要成分是Fe3O4）就是一种永磁铁，磁场大约几十到几百高斯；钕铁硼是目前人工合成的最强永磁材料，磁场强度可达几千到上万高斯。但是，要想获得更强、更均匀或更可控的磁场，就必须用到电磁铁，我们可以简称其为“磁体”。最简单的磁体就是螺线管形状的电磁铁，而如粒子加速器则需要非常复杂的磁体，它们甚至有4个或6个极向分布。我们知道，对于固定结构的螺线管磁体来说，磁场大小直接与电流大小成正比。但是，由于传统的金属导线存在电阻，电流越大意味着发热越厉害，严重到导线或其绝缘保护层被烧毁，这个磁体就彻底报废了。因此，要进一步提高电磁铁的磁场强度，主要有三种方案：一是增大螺线管中导线的尺寸，金属导线截面积越大，电阻就越小，加上水冷装置及时带走热量，就能实现强磁场环境，这便是“水冷磁体”；二是将导线换成超导体，它们在足够低温环境下电阻为零，可以承载很大的电流且几乎不发热，在很小的空间里就能实现强磁场，这就是“超导磁体”。但是，水冷磁体一般功率巨大且依旧存在散热难题，超导磁体则必须依赖于低温环境，两者承载电流的能力都存在各自的上限难以逾越。因此有了第三种方案，就是把两者结合起来，外部用体积较大的水冷磁体，内部插入体积较小的超导磁体，两个磁体齐心协力创造出更强的磁场，这就是“混合磁体”。

需要强调的是，以上说的都属于“稳态强磁场”的方案。如果极大压缩磁体的通电时间，就尽可能减小了线圈发热的问题，实现了“脉冲强磁场”，但脉冲强磁场的时间周期都在毫秒量级，在实际应用中尚存在很多局限性。

2019年12月，中国科学院电工研究所成功研制出中心磁场高达32.35万高斯的内插型全超导磁体，打破了2017年12月由美国科学家创造的32万高斯超导磁体的世界纪录。

2022年8月12日，中国科学院合肥物质科学研究院的“稳态强磁场实验装置”的混合磁体创造了场强45.22万高斯的稳态强磁场，打破了已保持了23年之久的45万高斯稳态强磁场世界纪录。

2024年9月22日，中国科学院合肥物质科学研究院的水冷磁体产生了42.02万高斯的稳态磁场，打破了2017年的41.4万高斯的世界纪录。

至此，三类稳态强磁场的世界记录，均由中国科学家团队所创下！

可能大家会感到困惑，相比此前的世界记录，新的稳态强磁场记录只提高了零点几万高斯，看起来“似乎不难”或者说“意义不大”，但并非如此简单！就像博尔特创下的人类百米短跑记录，9秒58，15年过去了，哪怕再提升0.01秒都极度困难！抑或像伊辛巴耶娃那样，把女子撑杆跳高世界记录刷新了28次，每次提高0.01米，都是人类的进步！刷新稳态强磁场的记录亦如此，代表着科学家们不断追求极致、突破极限、勇于挑战的精神，这才是技术进步的源动力！事实上，超强水冷磁体采用了多孔结构的金属比特片作为“线圈”，借助高速流动且不导电的超纯水带走热量，已不是传统的螺线管磁体，还需要在电源控制、磁体结构、加工工艺多个方面精益求精，才能最终突破记录。

稳态强磁场在基础科研和前沿应用均发挥着关键作用。在强磁场环境下，有可能发现物质的新状态或材料的新物性，进而带了新理论或新应用的启示。对于一些材料的特殊性质，例如超导材料的上临界磁场、拓扑材料的量子振荡、关联电子材料的量子相变等，都可以借助强磁场获得准确的信息。稳态强磁场也是电磁感应加热冶金、功能核磁共振成像、可控热核聚变、高能粒子加速器等应用的技术基础。可以说，强磁场的应用覆盖物理、化学、材料、生命科学、工程技术等多个领域。尽管地球上的人类目前能达到的稳态磁场已经超过了45万高斯，瞬态磁场甚至突破了1000万高斯，但跟宇宙中的极端环境相比还是相差甚远，例如强磁中子星就可能产生百万亿甚至千万亿高斯的磁场。

希望在未来，稳态强磁场的世界记录，还能不断被刷新！

作者： 罗会仟

审核： 姬扬 浙江大学物理学院 教授

出品：中国科协科普部

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