中国磁体打破纪录，创造42.02特斯拉强磁场，超越特斯拉

2024-10-25

中国的稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility, SHMFF）再一次刷新了全球强磁场的纪录。2023年9月22日，中国科学院合肥物质科学研究院的水冷磁体创造了42.02特斯拉的稳态磁场，超过了此前由美国国家强磁场实验室（National High Magnetic Field Laboratory, NHMFL）在2017年创下的41.1特斯拉纪录。这一成就标志着中国在强磁场研究领域再度领先全球，为未来物理学和材料科学的前沿探索提供了新的工具。

水冷磁体在世界各地的强磁场设施中得到广泛应用，其由金属线圈构成，通过高功率电流维持磁场。中国的最新成果不仅打破了现有纪录，还为建造更强大的磁体奠定了基础。这种强磁场设施有望在物理学、材料科学和其他基础科学领域带来更多突破。

强磁场为揭示先进材料的隐藏特性提供了独特的窗口，尤其是超导体等能够在极低温下无能耗传导电流的材料。超导体作为新材料的代表，在能源、通信和电子技术领域具有广泛的应用前景。然而，其特殊的物理特性只有在极端条件下才能表现出来，强磁场正是探索这些性质的关键手段。

法国格勒诺布尔脉冲磁场国家实验室的凝聚态物理学家Marc-Henri Julien指出，强磁场能够创造或操控新的物质状态，推动物理学的前沿研究。英国剑桥大学的凝聚态物理学家Alexander Eaton补充道，每增加一个特斯拉的磁场强度，其作用效果将呈指数级增长，尤其是用于高精度实验时，强磁场可以大幅提升测量的灵敏度和分辨率。

稳态强磁场实验装置的强磁场专家匡光力也表示，尽管创造如此高强度的稳态磁场极具挑战性，但其带来的科学研究潜力是巨大的。

水冷磁体是一种传统但可靠的技术，其能够维持较长时间的高强度稳态磁场，并具有较快的响应速度。与超导磁体和混合磁体相比，水冷磁体的磁场强度升级更为迅速，适用于多种实验需求。实验人员只需调节控制旋钮，即可在几分钟内将磁场强度从0特斯拉迅速提升至强磁场，从而为研究提供了灵活的实验环境。

然而，水冷磁体的主要缺点是能耗高、运行成本昂贵。中国的稳态强磁场实验装置在创造42.02特斯拉纪录时，消耗了32.3兆瓦的电力。这意味着，科学家在选择使用此类设备时，必须确保实验的科学价值能够与高昂的能耗相匹配。

为了应对这一限制，研究人员也在开发混合磁体和超导磁体。这类磁体可以在较低功率下产生强磁场，有望成为未来高效磁体技术的主流。2019年，美国国家强磁场实验室的团队开发了一个概念验证型的超导磁体，能够短暂维持45.5特斯拉的磁场强度。目前，该实验室正在开发更大规模、适用于实验的40特斯拉超导磁体。

中国的稳态强磁场实验装置团队也在研制一台55特斯拉的混合磁体。虽然新型磁体的运行成本预计会较低，但其建造成本和技术要求也相对更高。例如，超导磁体需要更复杂的冷却系统来维持低温环境，提升了工程复杂度。

中国在强磁场领域的持续创新已经引起全球科学界的广泛关注。2022年，合肥物质科学研究院的稳态强磁场实验装置的混合磁体曾创造了45.22特斯拉的磁场，成为世界上最强的稳态磁体装置。这次中国的水冷磁体再次打破纪录，为全球科学家提供了强有力的研究平台。

通过不断突破强磁场技术，中国不仅为物理学基础研究提供了新的实验条件，还进一步推动了全球在高能物理、材料科学和纳米技术等领域的科学进展。未来，随着更高强度的混合磁体和超导磁体的研制成功，科学家们将能够探索更多未知的物理现象，推动技术创新和理论突破。

中国的稳态强磁场实验装置也对全球科学家开放，提供了国际合作的机会。随着这些先进设施的普及和技术不断成熟，全球的科学家将能利用这一平台，揭示自然界深层次的物理规律，推动未来科学发现。

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