世界领先的强磁场 1月14日至1月16日，《科技日报》连续3天在头版头条位置刊发我校国家脉冲强磁场科学中心的系列报道并配发评论。系列报道详细介绍了国家脉冲强磁场科学中心筹划初衷、建设过程、世界共享取得的成果等不同方面的工作，全方位展示了国家脉冲强磁场科学中心的科研成绩及背后的奋斗故事。 世界领先的强磁场 中国建设的加速度 科技日报记者 张晔 刘志伟 把一块材料放在相当于地球磁感应强度120万倍的强磁场下，持续10毫秒，或者以毫秒级的时间间隔反复施加强磁场，会发生什么？ 近日，国家重大科技基础设施、华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心成功实现64特斯拉脉冲平顶磁场强度，创造了脉冲平顶磁场强度新的世界纪录。在物理学家看来，这无异于开辟了研究微观物质世界的新天地。 “我们可以用它测量热电信号，研究材料的自旋动力学，这对存储材料的改进提升将有极大的帮助。”复旦大学修发贤教授听闻这个消息，一下找到了未来的科研方向，“这在国际上也是独一无二的！” 中国电机工程学会鉴定认为，该项目在脉冲平顶磁场强度和高场重复频率上创造了两项世界纪录，结束了我国强磁场下科学研究长期依赖国外装置的历史。 国家脉冲强磁场科学中心对外开放运行4年来，取得了包括近90年来首次发现的全新规律量子振荡现象等一大批创新成果，成功跻身国际领先的脉冲强磁场行列。 后来者创造加速度 2013年10月，山水逶迤的武汉东湖畔，国家脉冲强磁场科学中心迎来了20多位“磁性十足”的大咖。全球主要强磁场实验室负责人和国际强磁场权威专家都已到齐。 他们不敢相信，中国人要公开进行实验演示，因为产生脉冲磁场的强大电流和电磁应力，随时会“爆表”。在此之前，国际上从来没一个实验室敢公开进行高参数实验演示，德国德累斯顿强磁场实验室就曾在公开演示中发生过磁体爆炸。 1个控制中心，8个实验站，整整1天实验，外国专家们闭门讨论3个小时。当会议室大门打开的那一刻，中心主任李亮教授紧锁的眉头终于舒展，“这里的脉冲强磁场设施已经跻身于世界上最好的脉冲场之列”，国际同行给出评价。 20世纪80年代后期，高温超导成为热门研究领域，传统的稳态强磁场已经力不从心。欧美发达国家开始加大磁场强度更高的脉冲强磁场建设，而我国在脉冲强磁场设施方面，基本是空白。 中国工程院院士潘垣敏锐地意识到，我国要想在凝聚态物理、材料、化学和生命等基础前沿科学方面的研究进入国际前列，就必须建设世界一流水平的脉冲强磁场装置。 从无到有、从弱到强，国家脉冲强磁场科学中心创造出惊人的中国速度和中国强度：开工仅仅11个月，脉冲强磁场实验装置样机系统就已研制完成。磁场强度从2009年的75特斯拉，到2013年的90.6特斯拉，不断刷新我国脉冲磁场强度纪录。 中国需要一颗强磁心 从素有脉冲强磁场发源地之称的比利时鲁汶大学回到国内仅仅3年，上海科技大学李军教授就在高温超导材料领域取得突破。 “研究高温超导材料，低温、强磁场是必不可少的极端条件，我们需要60特斯拉以上的超强磁场，才能达到高温超导材料的临界磁场，从而了解材料在超导状态下的物理特性。”李军说，“国家脉冲强磁场科学中心比我在国外的实验条件还要好，没有他们的支持，进展肯定不会这么顺利。” 磁现象是物质的基本现象之一。首先，当物质处在强磁场中，内部电子结构可能发生改变，产生新现象。此外，物质本身最重要的特性之一——电子结构（费米面）也能通过强磁场下量子振荡的手段间接观测出来。因此，自1913年以来，包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像和第二类超导体等与磁场有关的诺贝尔奖有19项。强磁场与极低温、超高压一起，被列为现代科学实验最重要的极端条件之一。 过去，修发贤长期在美国开展强磁场实验，每年需要花费数十万元不说，还得绞尽脑汁地写申请、排队等机时。欧美的强磁场实验室虽然向所有科学家开放，但是少不了“挑肥拣瘦”。 即便很优秀，也不是每次申请都能获批。“去年我就被拒了一次，原因是一项实验之前已经做过。”修发贤对此无可奈何。但是，当国家脉冲强磁场科学中心建成，尤其是在脉冲平顶磁场和超高重频磁场方面取得突破后，国外的强磁场已经“吸引不了”他了。 一流的磁场买不来 2007年，被校长李培根“三顾茅庐”打动的李亮，告别妻女，放弃GE公司的高薪职位，只身来到武汉，主持脉冲强磁场实验装置的建设工作。 面对有限的科研资金、落后的导体材料，李亮与同事们费尽心思。 不同科学研究需要不同的磁场波形，为了提高装置的运行效率，李亮把整个装置设计成模块化结构，由一套中央控制系统实现3类电源和8个实验站的灵活组合。这样一来，就可以在同一科学实验站的同一磁体上产生多种磁场波形，大幅提升了我国脉冲强磁场实验装置的科研产出。 “强磁场中心85%以上的材料、部件都是国产的。核心材料和部件是要不来、买不来、讨不来的。”李亮自豪地说。 国家脉冲强磁场科学中心设备的每一个电路设计图都由团队自己绘制，每一个零件都是团队自己安装调试。磁体是脉冲强磁场装置的核心部分，而磁体线圈的研制不仅要求十分严格，而且没有“回头路”，只能一次成功。负责手工缠绕磁体线圈的彭涛教授，常常“做梦都在绕磁体”，生怕出一点差错。 中心常务副主任韩小涛教授负责的控制系统是让装置动起来的“中枢大脑”。强电流、强磁场和极低温等极端条件对控制系统的可靠性、稳定性及安全性都提出了极为苛刻的要求，凭借团队自力更生、艰苦奋斗的精神，控制系统运行至今，无一起严重控制故障。 正是有了创新“杀手锏”，国家脉冲强磁场科学中心成了一块“磁铁”，吸引国内外顶尖人才造访。北京大学、清华大学、中科院物理所、美国斯坦福大学、英国剑桥大学、德国德累斯顿强磁场实验室等顶尖科研机构纷至沓来，在高温超导、拓扑半金属、分子磁体、石墨烯等领域取得丰硕成果，并在《科学》《自然》等期刊发表SCI收录论文672篇。 世界领先的强磁场 中国人这样建 科技日报记者 高博 刘志伟 2018年12月初，武汉国家脉冲强磁场科学中心，一次次电磁风暴的袭击，让物质被迫吐露不为人知的秘密。最先进的电源、磁体和控制系统，打造了这一世界顶尖水平的强磁场装置。 “磁场与电流成正比，而磁体承受的力和热，与磁场的平方成正比。所以越往上走越难。就好像百米跑从9.9秒提高到9.8秒那样难。”“美国从70T（特斯拉）到90T走了20年，德国用了15年，中国则是4年。”李亮说。 线圈使用寿命超出国际同行近1倍 1820年，丹麦人奥斯特无意间发现，导线通电，附近的小磁针会跳动。从此，人们一直在用通电线圈来制造磁场。瞬间强电流产生的几毫秒时间的强磁场，叫做脉冲强磁场，它比稳态磁场更高。 国家脉冲强磁场科学中心的研究人员告诉我们：他们用小指头粗细的导线，绕成线圈，接上2.5万伏特的电压，流过4万安培的瞬间电流，就可以产生几十T的脉冲磁场。 但通电线圈会被磁体内部应力拉长和压扁。李亮说，他们的线圈承受的应力，是“蛟龙”号在7000米海底面临压强的50倍。而且磁体在放电过程中会产生巨大热量，线圈泡于液氮以降温；通电瞬间零下200摄氏度的液氮砰地蒸发掉。 几个毫秒内通入磁体的能量如10公斤TNT的能量，线圈经常被炸碎。俄罗斯和日本科学家先后用极端办法制造过上千T的磁场，那也是目前人类取得的最强磁场。但必须牺牲线圈，是一次性的，磁体线圈无法重复利用。 美国国家强磁场实验室创纪录的线圈用的是铜铌合金，最结实——100T磁场纪录的最大功臣。中国团队则使用国内自主研发的铜铌合金，强度仅为前者2/3。 中国人另辟蹊径，从理论分析挖掘潜力，通过精确计算，大幅提升高分子纤维层层缠绕加固的效果，就像铁环箍住炮筒。它比凯夫拉还结实，是世界上最强韧的纤维。纤维浸泡环氧树脂，也充当线圈的绝缘层。 彭涛教授专职绕线。“如果浸泡树脂不够充分，反光是不同的。”他说，从线圈的纹路和颜色，老手能看出瑕疵。瑕疵让线圈更早崩溃。 美国磁体线圈直径1米，比中国的大很多，应力更低，不易坏，但美国线圈平均通电500次就会坏掉；彭涛做的线圈可使用800次。 中国电源便宜又强大 李亮曾在欧洲和美国工作多年，1992年以来世界上最强的磁体大多有他参与设计。 “我们是弯道超车。”李亮说，“我们从无到有，总结各家的经验，所以设计的整体性、系统性更强。” 美国国家强磁场实验室发电机电源两层楼高，巨大的飞轮储能，瞬间放电——是核聚变实验用的，100T纪录第二大功臣。 中国电源则分3部分：发电机电源（功率不到美国的1/10）；二十几个电容储能型电源模块；铅酸蓄电池组。通过结构优化，仅使用几个电容储能型电源模块，就叠加出90.6T的磁场脉冲峰值。美国实现100T需115兆焦耳能量，中国实现90T只用10兆焦。 专攻电源的丁洪发教授说：“几十个模块的开关时间差要限制在微秒级。元器件也要筛选，让电路的延迟一致。” 2008年开工建设，大部分设备自研自造，国产化率85%。“人家是外包给专业公司，我们是自己动手。”李亮说。 每组电容储能型电源100万元。整个电源系统投入仅是美国人的一个零头。液氦回收系统只有国外同类设备1/4的价格，回收的氦气每年可节约500万-600万元实验消耗。 脉冲平顶磁场十分重要，但美国人做平顶脉冲磁场，一年只能使用50-60次。中国人改进了电源和控制系统，则像开微波炉一样简单。“国际专家说我们花了1.2亿元，干了1.2亿美元的活儿。”李亮说。 测量需要极端精细 2013年10月，在全世界专家的见证下，中国装置首秀成功。国际权威报告说：中国的磁体和电源技术世界顶级；控制系统国际领先。 虽然最高磁场纪录不及美国，但中国装置优势明显——一套中央控制系统实现3类电源和8个实验站的灵活组合。这是中国磁场的一个杀手锏，更有利实验。控制系统负责人韩小涛教授说：“别人都是一个磁体发一种波形。我们的可以一个磁体产生多种波形。” 美国2013年实现了100.75T，德国实现94T，中国也以90.6T成为90T俱乐部的一员。而目前有望刷新纪录的只有美、中。 强磁场将考问出新的物质特性，催生下一代电子材料和芯片。朱增伟教授说：“半金属比如铋和锑，适合放在强磁场下研究极端情况。” 2018年11月，北京大学发现“对数量子震荡”，实验就在武汉做。在58T磁场下清晰观测到5个振荡，才得以发现对数规律。 强磁场的“风暴眼”只有20毫米长，在杏仁大小的空间里布置所有的样品和感应器，跟微雕差不多。 “涡流、热效应、震动、电磁干扰……测量永远伴随噪音。”左华坤工程师说。 想一次测出高质量信号难，因为干扰因素太多。样品杆浸泡在液氦里，还跟外面隔着一层真空，但线圈一瞬间的高温，仍然会造成样品零点零几度的热扰动。传感器的线路在脉冲磁场的作用下，也可能震动几个微米产生噪声。 还有很多不可测因素，比如地线“零”电压的不稳定，湿度差异，都可能造成测量结果不同。 “如果不这样难测，那些物理难题也就不会遗留到现在了。”左华坤说，论电磁测量精度武汉国家脉冲强磁场科学中心已不弱于任何同行。 “中心建成后，不仅国内科学家基本不再去国外做实验了，还吸引了剑桥、斯坦福等众多国外用户。”李亮说。 世界领先的强磁场 全球共享的大装置 科技日报记者 赵汉斌 刘志伟 塞巴斯蒂安教授团队最近一次来华访问交流，全留在了位于武汉华中科技大学的国家脉冲强磁场科学中心。利用这里的强磁场装置开展研究，得到的一组高质量实验数据让她喜出望外。 “武汉的国家脉冲强磁场装置是世界一流的设施，几年来我屡屡造访武汉，用这里的设施开展新的研究。”这位来自英国剑桥大学卡文迪许实验室的女科学家说。 国家脉冲强磁场实验装置是一个为国内外科学家提供超强磁场、极低温、超高压等极端实验条件，进行前沿基础科学研究的国家级科学研究中心，这也是国内唯一的大型脉冲强磁场科研基础条件平台。从2013年10月接受国际评估那天起，它就已跻身世界四大脉冲强磁场科学中心行列。 强磁场服务全球科学家 王健，北京大学物理学院量子材料科学中心教授，博士生导师。 5年来，他已经数不清自己第几次到武汉。“我回国后的许多研究成果，都离不开武汉国家脉冲强磁场科学中心。”王健告诉科技日报记者，强磁场是研究材料本质特性的“放大镜”，磁场越高，新现象、新物态出现的机率就越大，给自己的研究带来的机遇就越大。 “强磁场在证明对数周期量子振荡的过程中起到了至关重要的作用。”王健说，1个月前，在国家脉冲强磁场科学中心58T（特斯拉）磁场强度下，他和谢心澄院士研究团队清晰观测到了5个振荡，获得了可靠的测量数据，被评价为近90年以来量子振荡领域最为重要的发现之一。 与王健相似，塞巴斯蒂安也已离不开武汉的强磁场装置。“如果没有国家脉冲强磁场科学中心的设施和学识渊博的工作人员，我的研究小组将无法开展新的量子材料研究，而这些研究有望为未来提供再生能源。”她这样告诉科技日报记者，眼下她正在冲击一项期待已久的成果。卡文迪许实验室是近代科学史上第一个社会化和专业化的科学实验室，催生了大量足以影响人类进步的重要科学成果，诞生过29位诺奖科学家。 “这是开放的平台，世界共享。我们的装置已为69家科研单位提供了904项科学研究服务，装置开放运行及成果产出与世界最高水平实验室相当。”国家脉冲强磁场科学中心常务副主任韩小涛教授说，这些用户不仅遍含国内重点大学和科研院所，也囊括了哈佛、剑桥、斯坦福等全球顶级用户。利用这里的实验条件开展研究，截至目前，他们在《科学》《自然》等国际顶级刊物已发表论文672篇。 为国际主流脉冲磁体设计提供支撑 磁体犹如强磁场的心脏。 时任华中科技大学校长的李培根院士当年“三顾茅庐”请回的李亮教授，是全球强磁场磁体设计的顶尖高手。李亮的归来，带动我国脉冲强磁场装置的理论分析和研制水平迅速跃居世界前列。 “我们提出了脉冲磁体非连续性层间加固理论和工艺实现方法，解决了高参数脉冲磁体的力学稳定性问题，大大提高了磁体的性能和寿命，降低了成本。”李亮说，他们常规使用的65T脉冲磁体平均寿命超过800次，远超国际同行350次至500次的水平。而由中心开发的脉冲磁体设计专用平台PMDS，已被美国橡树岭、牛津大学、欧洲强磁场实验室等世界顶级实验室广泛采用。 法国图卢兹国家强磁场实验室奥列克西·德拉琴科博士在接受科技日报记者采访时表示，PMDS是一款功能强大、使用方便的优秀软件，它可实现脉冲磁体许多参数的计算，还可非常简便地进行线圈几何结构、导线和加固材料层数等变量的设计。计算包括电感、磁场、脉冲宽度、均匀度、应变应力分布、温度分布等电参数和机械参数，最后还能指导磁体研制所需材料的订购。“我认为PMDS可让一大批科学家和工程师参与脉冲磁体设计，这是将磁体设计水平推向新高度的重大成绩。” PMDS已被欧盟第六框架项目“下一代脉冲磁场用户设施的设计研究”（简称DeNUF）采纳为磁体设计工具，这个项目资助德国、法国、英国、荷兰等几个国家强磁场实验室共同开展下一代脉冲磁体研究。来自中国的脉冲磁体设计平台为他们提供了支撑。 技术创新工程创新与制度创新并驾齐驱 在国家脉冲强磁场科学中心不起眼的一角，一块直径1.38米的大型铝合金板件刚刚整体成形。“这是与相关部门合作，首次使用多时空脉冲强磁场成形制造的航天器无焊缝底壳部件。”韩小涛自豪地说，如此大面积的壳体电磁成形，以及大直径铝管和钢管的电磁“焊接”，在国际上都是首次。 针对国内外现有大型、复杂板管类零件的成形受限于工艺装备和材料性能的难题，国家脉冲强磁场科学中心一班人基于先进的脉冲磁体技术、脉冲电源及控制技术，提出了组装后整体充磁的创新型工艺方法。这项技术的成功，将打破美、德等国的技术封锁，将广泛应用于车用永磁同步电机、永磁风力发电机、永磁磁共振成像等大型永磁设备，市场前景广阔。 这一项项创新，也是华中科技大学“双一流”建设进程中，加强优势学科建设的一个缩影。“多学科的交叉与融合，是创新的源泉，也是华中大的优势！”国家脉冲强磁场装置建设的首倡者、中国工程院院士潘垣说，国家脉冲强磁场科学中心之所以诞生在华中大，是“顺势而为”的结果，这也是全国第一个落地在高校的国家大科学装置，意在促进世界一流高校建设的同时聚合力量，在科学技术前沿取得重大突破、解决经济社会发展和国家安全中的战略性、基础性和前瞻性科技问题。 “作为高校搞大科学装置的第一拨‘吃蟹人’，我们还要像搞科研一样，在装置运行的体制机制上不断创新，突破重重障碍，才能让强磁场装置持久、高质量地服务全球科学家。”李亮说，未来的路还很长。