华科大国家脉冲强磁场科学中心的“国之重器”
世界最好的脉冲强磁场设施
湖北日报全媒记者 刘天纵 通讯员 程远
将一个材料放在比地球磁场强度高百万倍的强磁场下，会发生什么？
在物理学家看来，强磁场是研究材料本质特性的“放大镜”，磁场越强，放大倍数越高。过去20多年，10项诺贝尔奖与强磁场研究密切相关。
湖北就有一座世界上最好的脉冲强磁场设施——位于华中科技大学的国家脉冲强磁场科学中心，它是教育部直属高校首个国家重大科技基础设施，是强磁场科学、技术及应用研究的国家级大科学平台，是物理、化学、材料和生物医学等多学科领域科学研究的“国之重器”。
中国需要强磁场
9月28日，华中科技大学东校区，一栋绿树草坪环绕的弧形灰色建筑略显低调，但“国家脉冲强磁场科学中心”“脉冲强磁场国家重大科技基础设施”两块金色牌匾彰显了其重要地位。
走进这栋建筑，强磁场设施沙盘模型位于大厅中央，白色仪器设备、绿色金属框架、橙色线圈金属管，设备与线路紧凑复杂，沙盘模型好似一块集成电路板。
穿过大厅后的金属门，是脉冲强磁场设施控制中心，两名工作人员对着8块监控屏，在电脑上反复比对着实验数据。顺着控制中心再往里走，是约4000平方米的脉冲强磁场设施设备间，这里各式线圈、电路、仪器琳琅满目，好似一片由金属构成的“热带雨林”。
“磁场强度越高，对于物质系统的电子能态改变就越大，就能给科学创新提供更多机遇。”国家脉冲强磁场科学中心主任李亮介绍，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。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。自1913年以来，包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应和磁共振成像等与磁场有关的诺贝尔奖有19项。
脉冲强磁场设施于2008年4月开工建设，2013年10月建成，由磁体、电源、控制和测量等子系统组成。设施峰值磁场强度达到90.6T(T为“特斯拉”，1特斯拉相当于地球磁感应的2万倍)，并实现世界领先的小电阻样品上微伏级信号的精准测量。
2018年11月22日，国家脉冲强磁场科学中心成功实现兼具高场强和高平顶稳定度的64T脉冲平顶磁场，创造了脉冲平顶磁场强度新的世界纪录，并实现了45T/50 Hz(赫兹)的超高重频磁场，将国际同类磁场重复频率提高2个数量级。
该中心技术总监潘垣院士说，过去，国内没有脉冲强磁场实验设备，高校院所进行相关研究只有借助欧美国家的实验室来完成，不但每年要花数十万元，还要绞尽脑汁写申请、排队等时机，有的国内科研团队一年一项实验都无法保证，严重制约了我国强磁场科研进展。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。
一流磁场买不来
上世纪80年代后期，高温超导成为热门研究领域，欧美发达国家纷纷建设磁场强度更高的脉冲强磁场，而我国在这方面基本是空白。
2007年，在美国GE公司担任技术骨干的李亮，被时任华中科技大学校长李培根院士的一再相邀所打动，毅然回国主持建设脉冲强磁场设施。面对科研经费捉襟见肘、导体材料强度差、电源功率小等一大堆难题，李亮及其团队成员绞尽了脑汁。“强磁场中心的核心材料、部件都是国产的，一流的磁场是买不来、讨不来的。”李亮说，该中心设备每一张电路设计图、每一个零件都是团队自己绘制和安装调试的。开工仅11个月，脉冲强磁场设施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，4年时间完成了美国20年的历程。
脉冲强磁场设施建设水平和运行成效得到了国内外同行高度评价。2013年10月，美、德、法等国家强磁场实验室主任及权威专家等组成的国际评估专家组现场评估后，认为该设施“工程上的成就超越国际同类水平，跻身世界最好的强磁场设施”。
2018年5月，国际评估专家组评估认为，该设施“支撑基础前沿研究方面发挥了重要作用，运行水平国际领先”。2018年，该设施获评湖北省科技进步特等奖。
截至今年6月，该设施累计运行43576小时，为北大、清华、哈佛、剑桥等83所顶级高校或科研机构提供1055项科学研究服务，有关学者在 Nature、Science、PRL等期刊发表论文776篇，同期成果产出优于美、德同类设施，在物理、化学、材料等多个学科领域取得重要进展。
“电磁制造”不是梦
随着国家脉冲强磁场科学中心的建设运行，该中心已成为吸引高水平人才的“强磁场”，逐步形成了一支具有国际学术影响力的科研队伍。
“下一步，科学中心需要向‘电磁制造’等行业应用上深度扩展，进一步发挥光和热。”李亮表示，“先进电磁制造”是科学中心积极拓展的新方向，将脉冲强磁场技术应用到材料成形加工领域，可在毫秒时间内将板管类零件直接成形，具有高速率、非接触、柔性环保等特点，能为不同材质金属的常温焊接、大型轻质合金板件的整体成形等技术领域带来颠覆性的改变。此外，基于电磁脉冲的大型永磁设备整体充磁技术，在风力发电、磁共振成像等新能源、生物医学产业也有广泛的应用前景。
谈到未来规划，李亮表示，科学中心将协同推进脉冲强磁场科学、技术和应用三个方面的研究，建成面向国际科技前沿的强磁场前沿科学中心、引领核心技术发展的强磁场技术研发中心和解决国家重大需求的强磁场工程应用中心。“未来，脉冲强磁场科学中心将在体制机制上不断创新，让设施更持久、更高质量服务全球科学家，将其打造成全球共享、多学科交叉的大平台。”他说。
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