【走近大國重器】
◎科技日報記者 洪敬譜 吳長鋒
安徽合肥西郊，有一座面積不到3平方公里的小島。這里三面環水，環境清幽，有個別致的名字——“科學島”。
在這片遠離喧囂的地方，坐落著中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心（以下簡稱“強磁場中心”）。2022年8月，該中心的穩態強磁場實驗裝置（以下簡稱“實驗裝置”）實現重大突破，其混合磁體產生了45.22萬高斯的穩態磁場，打破保持23年之久的世界紀錄。
強磁場有什么用？穩態強磁場又是什么？實驗裝置建設克服了哪些困難？帶著這些疑問，近日，科技日報記者來到強磁場中心，一探究竟。
尖端研究平臺，國之重器
走進強磁場中心一樓大廳，一臺實驗裝置的模型映入眼簾，旁邊整齊擺放著依托穩態強磁場發現的各類成果展板。
強磁場中心工程師汪文強向記者做起了科普——
強磁場，是開展前沿科學研究必不可少的一種極端實驗環境。在強磁場中，科學家能夠觀察到諸多日常條件下難以窺見的物理化學現象。根據持續時間長短，強磁場分為脈沖強磁場和穩態強磁場。穩態強磁場可以根據科學實驗需求，在一定時間和一定數值上保持穩定。產生穩態強磁場的磁體主要有3種：水冷磁體、超導磁體和混合磁體……
“提到穩態強磁場，大家可能感覺很陌生，但實際上它早已進入我們的生活。”汪文強說，“磁共振成像就是穩態強磁場的典型應用之一，只是其磁場較低。”
說話間，記者隨汪文強走近實驗裝置。
實驗裝置由10臺磁體組成，包括5臺水冷磁體、4臺超導磁體和1臺混合磁體。
宏偉的實驗大廳里，4根直徑約半米的傾斜鋼柱支撐起一個6米多高的巨型圓罐，整體形態與混凝土攪拌站有些相像。
“這就是打破世界紀錄的混合磁體。外面是室溫孔徑800毫米、磁場強度11.2萬高斯的超導磁體，里面是水冷磁體。”汪文強介紹，盡管外形龐大，但其內部用于放置實驗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力，相當于萬米潛航器所承受水壓的7倍。
“追求極高磁場，就像攀登珠穆朗瑪峰。”強磁場中心學術主任、安徽大學校長匡光力告訴記者，“作為全球第五個、我國第一個穩態強磁場實驗裝置，這個大國重器為科研人員提供了一個尖端研究平臺。”
摸著石頭過河，精益求精
近百年來，已有10余項與強磁場有關的成果榮獲諾貝爾獎。
在我國之前，僅美、法、荷、日四國建有穩態強磁場實驗裝置。2007年，國家批復建設這一重大科技設施。2008年，強磁場中心在“科學島”上應運而生。經過數年努力，項目于2017年竣工驗收，多項指標超額完成。
“這個大裝置中的水冷磁體，是用特殊設計的‘比特片’做成的。這些比特片與絕緣片層層緊扣，相互疊加。”強磁場中心磁體科學與技術部副主任張俊指著混合磁體說，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。因此，比特片必須精準放置，絲毫不能錯位，否則冷卻孔堵塞將導致水冷磁體不能及時散熱，易造成整個磁體燒毀。
“完全是摸著石頭過河！”回憶起建設過程，強磁場中心水體磁體組組長房震說，“用什么材料、開多大孔徑，我們都是先進行理論分析和模擬，再著手建設。”
科研團隊先后遇到一系列棘手問題。比如所需的“銅銀合金”材料，當時極為稀缺，為獲取這種材料，他們花費了大量精力。此外，需要用到的大功率整流器，國內并沒有現成產品。科研人員只好與生產廠家商量，先支付費用，且明確研發失敗費用不退，對方才同意研發和生產。
“每一步都非常難，而測量系統的研制可謂難上加難。”匡光力打比方道，“實現從磁體運行的復雜電磁環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。”
精益求精的鉆研精神，從一組數據中可見一斑：以低溫閥箱為例，其設計歷時5年，團隊為此繪制了約1200張圖紙，在約1.5立方米的狹窄空間內，累計使用的各種管材總長度達2460米，閥箱總共焊縫數量達到了5811條。
2017年的大年初二，混合磁體調試成功。
回憶起那一刻，匡光力激動地說：“國家交辦的任務圓滿完成，比領到大獎還要高興！”
項目竣工驗收并非終點，科研人員以此為起點不斷前行。
支撐多項實驗，成果迭出
最近，南京大學物理學院王雷教授團隊正在穩態強磁場實驗裝置的混合磁體上，做二維材料的測試實驗。
早在去年底，該團隊就提出了實驗申請。經過強磁場中心專家委員會的嚴格評審，實驗終于在今年3月中旬得以順利進行。
“每年有大約70多個單位、數百個課題在這里進行實驗，時間從早上8點一直延續至深夜12點。”強磁場中心磁體運行與實驗測量部副主任郗傳英介紹。
“人氣非常旺！科學家們都熱衷在這個裝置上面進行實驗。”匡光力說。
2018年12月，復旦大學修發賢課題組依托實驗裝置，發現新型三維量子霍爾效應的直接證據，量子霍爾效應研究由此邁出了從二維體系到三維體系的關鍵一步。另外，浙江大學許祝安、鄭毅團隊與中南大學夏慶林合作，依托實驗裝置，在薄層黑砷中首次發現了外電場連續、可逆調控的強自旋軌道耦合效應。強磁場中心磁共振生命科學部則在27萬高斯的強磁場實驗中，發現強磁場可以干擾癌細胞內的紡錘體，并且抑制癌細胞的分裂，這對未來開發癌癥治療新方法具有積極意義。
“諸如此類的成果已有數千個，每一項都非常了不起。”匡光力說。
截至2023年底，實驗裝置已為國內外近200家單位3000余項課題提供了實驗條件，助力論文產出近2500篇。與此同時，依托實驗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。
習近平總書記強調，真正的大國重器，一定要掌握在自己手里。
“我們正在主導建設‘強光磁集成實驗設施’，建成后又將是一個大國新重器！”匡光力信心滿滿地表示，他將和團隊全力以赴，建好用好大科學裝置，以奮勇爭先的姿態，為加快實現高水平科技自立自強積極貢獻力量。
