【走近大國(guó)重器】
◎科技日?qǐng)?bào)記者 洪敬譜 吳長(zhǎng)鋒
安徽合肥西郊，有一座面積不到3平方公里的小島。這里三面環(huán)水，環(huán)境清幽，有個(gè)別致的名字——“科學(xué)島”。
在這片遠(yuǎn)離喧囂的地方，坐落著中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱“強(qiáng)磁場(chǎng)中心”）。2022年8月，該中心的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)裝置”）實(shí)現(xiàn)重大突破，其混合磁體產(chǎn)生了45.22萬(wàn)高斯的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，打破保持23年之久的世界紀(jì)錄。
強(qiáng)磁場(chǎng)有什么用？穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)又是什么？實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)克服了哪些困難？帶著這些疑問(wèn)，近日，科技日?qǐng)?bào)記者來(lái)到強(qiáng)磁場(chǎng)中心，一探究竟。
尖端研究平臺(tái)，國(guó)之重器
走進(jìn)強(qiáng)磁場(chǎng)中心一樓大廳，一臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置的模型映入眼簾，旁邊整齊擺放著依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的各類(lèi)成果展板。
強(qiáng)磁場(chǎng)中心工程師汪文強(qiáng)向記者做起了科普——
強(qiáng)磁場(chǎng)，是開(kāi)展前沿科學(xué)研究必不可少的一種極端實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在強(qiáng)磁場(chǎng)中，科學(xué)家能夠觀察到諸多日常條件下難以窺見(jiàn)的物理化學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，強(qiáng)磁場(chǎng)分為脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)可以根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，在一定時(shí)間和一定數(shù)值上保持穩(wěn)定。產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的磁體主要有3種：水冷磁體、超導(dǎo)磁體和混合磁體……
“提到穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，大家可能感覺(jué)很陌生，但實(shí)際上它早已進(jìn)入我們的生活?！蓖粑膹?qiáng)說(shuō)，“磁共振成像就是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的典型應(yīng)用之一，只是其磁場(chǎng)較低?！?/p>
說(shuō)話間，記者隨汪文強(qiáng)走近實(shí)驗(yàn)裝置。
實(shí)驗(yàn)裝置由10臺(tái)磁體組成，包括5臺(tái)水冷磁體、4臺(tái)超導(dǎo)磁體和1臺(tái)混合磁體。
宏偉的實(shí)驗(yàn)大廳里，4根直徑約半米的傾斜鋼柱支撐起一個(gè)6米多高的巨型圓罐，整體形態(tài)與混凝土攪拌站有些相像。
“這就是打破世界紀(jì)錄的混合磁體。外面是室溫孔徑800毫米、磁場(chǎng)強(qiáng)度11.2萬(wàn)高斯的超導(dǎo)磁體，里面是水冷磁體?！蓖粑膹?qiáng)介紹，盡管外形龐大，但其內(nèi)部用于放置實(shí)驗(yàn)樣品的空間非常有限，孔徑只有32毫米。水冷磁體承受著巨大的電磁應(yīng)力，相當(dāng)于萬(wàn)米潛航器所承受水壓的7倍。
“追求極高磁場(chǎng)，就像攀登珠穆朗瑪峰?！睆?qiáng)磁場(chǎng)中心學(xué)術(shù)主任、安徽大學(xué)校長(zhǎng)匡光力告訴記者，“作為全球第五個(gè)、我國(guó)第一個(gè)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，這個(gè)大國(guó)重器為科研人員提供了一個(gè)尖端研究平臺(tái)。”
摸著石頭過(guò)河，精益求精
近百年來(lái)，已有10余項(xiàng)與強(qiáng)磁場(chǎng)有關(guān)的成果榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。
在我國(guó)之前，僅美、法、荷、日四國(guó)建有穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。2007年，國(guó)家批復(fù)建設(shè)這一重大科技設(shè)施。2008年，強(qiáng)磁場(chǎng)中心在“科學(xué)島”上應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過(guò)數(shù)年努力，項(xiàng)目于2017年竣工驗(yàn)收，多項(xiàng)指標(biāo)超額完成。
“這個(gè)大裝置中的水冷磁體，是用特殊設(shè)計(jì)的‘比特片’做成的。這些比特片與絕緣片層層緊扣，相互疊加。”強(qiáng)磁場(chǎng)中心磁體科學(xué)與技術(shù)部副主任張俊指著混合磁體說(shuō)，比特片上密布著微小孔洞，是為了使去離子冷卻水從中流過(guò)。因此，比特片必須精準(zhǔn)放置，絲毫不能錯(cuò)位，否則冷卻孔堵塞將導(dǎo)致水冷磁體不能及時(shí)散熱，易造成整個(gè)磁體燒毀。
“完全是摸著石頭過(guò)河！”回憶起建設(shè)過(guò)程，強(qiáng)磁場(chǎng)中心水體磁體組組長(zhǎng)房震說(shuō)，“用什么材料、開(kāi)多大孔徑，我們都是先進(jìn)行理論分析和模擬，再著手建設(shè)。”
科研團(tuán)隊(duì)先后遇到一系列棘手問(wèn)題。比如所需的“銅銀合金”材料，當(dāng)時(shí)極為稀缺，為獲取這種材料，他們花費(fèi)了大量精力。此外，需要用到的大功率整流器，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有現(xiàn)成產(chǎn)品?？蒲腥藛T只好與生產(chǎn)廠家商量，先支付費(fèi)用，且明確研發(fā)失敗費(fèi)用不退，對(duì)方才同意研發(fā)和生產(chǎn)。
“每一步都非常難，而測(cè)量系統(tǒng)的研制可謂難上加難?！笨锕饬Υ虮确降?，“實(shí)現(xiàn)從磁體運(yùn)行的復(fù)雜電磁環(huán)境中篩選出微弱的有用信息，就如同在一大片草地上尋找一根繡花針?！?/p>
精益求精的鉆研精神，從一組數(shù)據(jù)中可見(jiàn)一斑：以低溫閥箱為例，其設(shè)計(jì)歷時(shí)5年，團(tuán)隊(duì)為此繪制了約1200張圖紙，在約1.5立方米的狹窄空間內(nèi)，累計(jì)使用的各種管材總長(zhǎng)度達(dá)2460米，閥箱總共焊縫數(shù)量達(dá)到了5811條。
2017年的大年初二，混合磁體調(diào)試成功。
回憶起那一刻，匡光力激動(dòng)地說(shuō)：“國(guó)家交辦的任務(wù)圓滿完成，比領(lǐng)到大獎(jiǎng)還要高興！”
項(xiàng)目竣工驗(yàn)收并非終點(diǎn)，科研人員以此為起點(diǎn)不斷前行。
支撐多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，成果迭出
最近，南京大學(xué)物理學(xué)院王雷教授團(tuán)隊(duì)正在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的混合磁體上，做二維材料的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
早在去年底，該團(tuán)隊(duì)就提出了實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)。經(jīng)過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)中心專(zhuān)家委員會(huì)的嚴(yán)格評(píng)審，實(shí)驗(yàn)終于在今年3月中旬得以順利進(jìn)行。
“每年有大約70多個(gè)單位、數(shù)百個(gè)課題在這里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，時(shí)間從早上8點(diǎn)一直延續(xù)至深夜12點(diǎn)。”強(qiáng)磁場(chǎng)中心磁體運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)測(cè)量部副主任郗傳英介紹。
“人氣非常旺！科學(xué)家們都熱衷在這個(gè)裝置上面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”匡光力說(shuō)。
2018年12月，復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢課題組依托實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，量子霍爾效應(yīng)研究由此邁出了從二維體系到三維體系的關(guān)鍵一步。另外，浙江大學(xué)許祝安、鄭毅團(tuán)隊(duì)與中南大學(xué)夏慶林合作，依托實(shí)驗(yàn)裝置，在薄層黑砷中首次發(fā)現(xiàn)了外電場(chǎng)連續(xù)、可逆調(diào)控的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)。強(qiáng)磁場(chǎng)中心磁共振生命科學(xué)部則在27萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)可以干擾癌細(xì)胞內(nèi)的紡錘體，并且抑制癌細(xì)胞的分裂，這對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)癌癥治療新方法具有積極意義。
“諸如此類(lèi)的成果已有數(shù)千個(gè)，每一項(xiàng)都非常了不起?！笨锕饬φf(shuō)。
截至2023年底，實(shí)驗(yàn)裝置已為國(guó)內(nèi)外近200家單位3000余項(xiàng)課題提供了實(shí)驗(yàn)條件，助力論文產(chǎn)出近2500篇。與此同時(shí)，依托實(shí)驗(yàn)裝置研究產(chǎn)生的多項(xiàng)成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國(guó)家Ⅰ類(lèi)抗癌創(chuàng)新靶向藥物等，成功轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。
習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，真正的大國(guó)重器，一定要掌握在自己手里。
“我們正在主導(dǎo)建設(shè)‘強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)設(shè)施’，建成后又將是一個(gè)大國(guó)新重器！”匡光力信心滿滿地表示，他將和團(tuán)隊(duì)全力以赴，建好用好大科學(xué)裝置，以?shī)^勇?tīng)?zhēng)先的姿態(tài)，為加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)積極貢獻(xiàn)力量。
