长期以来,强磁场作为探索物质微观结构与相变规律的重要“科学工具”,在凝聚态物理、新材料研发、生命过程机理解析以及聚变约束基础研究等领域具有不可替代的作用。
随着前沿科学问题不断向更高能量尺度、更精细测量精度延伸,科研对稳定、可持续、可开放共享的超强磁场条件提出更高要求。
如何在保证运行可靠与用户使用条件的前提下,实现更高磁场强度,成为强磁场技术发展的关键课题。
此次实现突破的全超导用户磁体,以高温超导内插磁体为核心,在中心磁场达到35.6特斯拉的同时,仍保持35毫米口径不变,体现了在工程化集成与系统可靠性方面的综合能力。
与依赖巨大功耗的电阻磁体不同,全超导路线更强调在低损耗条件下获得高磁场强度,同时兼顾长期运行稳定性和用户实验的连续性。
35.6特斯拉的实现,表明我国在高温超导材料应用、线圈结构设计、应力管理、热稳定与保护等关键环节取得系统性进展。
突破背后,是面向用户需求的持续迭代。
该磁体曾于2023年达到30特斯拉并对国内外用户开放,随后团队围绕材料性能、结构强度、制造工艺与系统集成开展升级改造,在不牺牲口径与用户可用性条件下实现性能“跃升”。
从技术演进规律看,超强磁场磁体不仅追求场强指标,更考验在极端电磁力环境下的机械强度、线圈绝缘与稳定裕度,以及一旦发生局部失超时的快速保护能力。
此次纪录刷新,说明相关关键技术链条已具备较强的协同成熟度。
这一成果的影响将体现在多个层面。
其一,对物质科学研究而言,30特斯拉以上的全超导用户磁体可显著拓展实验窗口,使一些在较低磁场下难以分辨的量子效应、电子结构重构与新奇相态更易被捕捉,有助于形成可验证、可复现实验结论。
其二,对生命科学与交叉研究而言,强磁场条件有望为高精度谱学测量、磁相关成像与分子机制研究提供新的手段。
其三,对核聚变等战略前沿方向而言,强磁场技术的进步将为相关基础研究与材料评估提供支撑,推动关键参数测试与模型验证更接近实际需求。
更值得关注的是平台支撑能力的形成。
该全超导用户磁体建设于北京怀柔科学城的大科学装置——综合极端条件实验装置内,该装置于2025年2月通过国家验收,集极低温、强磁场、超高压与超快光场等极端条件于一体,具备多条件耦合的综合实验能力。
强磁场磁体与装置内其他条件平台协同,将推动“单一极端条件”向“多维极端条件联用”升级,为科学家在更接近真实物理环境的条件下开展研究提供可能,进而提升我国在国际强磁场物质科学研究中的话语权与原创成果产出能力。
面向后续发展,如何把技术优势转化为持续的科研产出与产业带动效应,仍需系统推进。
一方面,应进一步完善面向用户的开放共享与实验支持体系,提升装置运行稳定性、实验排期效率与数据服务能力,让重大装置真正成为高水平成果的“孵化器”。
另一方面,应加强关键材料与核心部件的稳定供给与质量控制,推动高温超导工程化应用的标准体系建设,形成从基础研究、工程验证到应用推广的闭环。
与此同时,还应加大高水平复合型人才培养力度,促进超导、低温、结构力学、测量与控制等学科交叉融合,提升系统集成创新能力。
从前景看,强磁场技术正与量子材料、先进制造、生物医药及能源领域加速交汇。
全超导路线在能效、连续运行与用户友好性方面优势突出,随着材料性能提升与工程技术成熟,更高场强、更大口径、更高稳定度的用户磁体有望持续涌现。
依托大科学装置形成的综合极端条件实验能力,将为我国在若干关键科学问题上取得“从0到1”的突破提供更坚实的条件保障,也将推动我国在国际科技合作与全球科技治理中贡献更多高质量公共科研平台。
全超导磁体的突破性进展,反映了我国在基础科学研究和关键技术攻关方面的持续投入和创新成果。
从30特斯拉到35.6特斯拉的跨越,虽然数字增幅看似不大,但背后代表着材料科学、工程技术和系统集成的多重突破。
随着综合极端条件实验装置的投入运行,我国将拥有更加完善的科学研究基础设施体系,这必将为我国在物质科学、能源、材料等战略性新兴产业领域的创新发展注入新的动力,进一步巩固我国在科技创新中的竞争优势。