厉害！中国稳态强磁场技术攻关58年终成世界第1：美国这次也得服

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图片来源于新华社报道

“中国稳态强磁场实验装置正式超越美国，成为世界最强！”

2022年8月12日，胖先生我注意到了新华社发布的一则简讯，内容大致是说由中国科学院合肥物质科学研究院负责的稳态强磁场实验装置完美创造出场强45.22万高斯的稳态强磁场，而这一数据直接打破1999年由美国同类型装置创造的45万高斯稳态强磁场世界纪录，实现了该领域对美国人的弯道超车！

看到这我相信，很多不明觉厉的小伙伴们肯定是一脸懵逼：“这又是稳态又是强磁场的，到底是个啥玩意儿？”

别急，今天咱们就来简单了解下这个高大上的“稳态强磁场实验装置”，到底有啥厉害之处。

中科院的这套高大上的稳态强磁场实验装置，属于典型的公共实验型大科学装置，大科学装置按不同的应用目的分类，基本有3种：

（1）专用研究设施型大科学实验装置：是一种为特定学科领域重大科学技术目标建设的研究装置，如兰州重离子加速器、全超导托卡马克装置等；

（2）公共实验平台型大科学实验装置：是一种为多学科领域的基础研究、应用基础研究和应用研究服务，具有强大支持能力的大型公共实验装置，如上海光源、东莞散裂中子源等；

（3）公益基础设施型大科学实验装置：是一种为国家经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据的重大基础科学技术设施，如子午工程、“科学”号海洋科考船等。

当然，我们今天的主角稳态强磁场实验装置就属于第二种类型：公共实验平台型大科学装置。

美国国家强磁场实验室的超导磁体设计图

话说建设这样一套大科学实验装置可不便宜，而且技术难度相当之高，可以说你有钱也不一定能建得好，那这种又花钱又费力还不一定能成功的大科学实验装置到底有什么用处呢？别急，您听我慢慢道来。

我们都知道，磁现象是物质的基本现象之一，科学研究早已证实，当在强磁场中，物质结构和状态都可能会发生改变，呈现出多样性的物理、化学现象和效应，所以强磁场和极低温、超高压一样，一直都是诸如实验物理等现代科学实验中最重要的极端条件，是研究基础科学的一种非常有用的工具。

所以说强磁场这种看不见摸不到的玩意儿实际上非常重要，它可以为物理、化学、材料和生物等学科研究提供很多新的途径，对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要作用。

别的先不说，咱就说说大家都熟悉的核磁共振，那绝对是生命科学、医学、脑科学研究的必要工具，甚至于与农业、人类健康密切相关的生物大分子研究中也离不开它，毕竟相当多的样品其生物反应都会发生在液体状态，此时核磁共振就是研究它们的最佳手段。

核磁共振实物

核磁共振结构

而强磁场的作用还远不止核磁共振一项，总之强磁场科学研究涉及的学科十分广泛，具有众多原始创新的机遇，对科学和技术的发展具有非常重要的意义。

鉴于强磁场如此之多的优点，因此在数十年来，欧美各国都投入天量资源进行研发，这其中尤以美国为最，下面让我们一起来看下这个雄霸世界第一宝座长达23年之久的美国国家强磁中心，到底有多牛气！

美国国家强磁中心（NATIONAL HIGH MAGNETIC FIELD LABORATORY，简称NHMFL）的主体部分位于佛罗里达州塔拉哈西（Tallahassee）市，占地30000平方米，此中心最大的作用就是负责全美对于磁学研究和与磁相关的磁实验研究开发。

在2022年8月12日之前，美国国家强磁中心所具有的磁实验仪器和设备都是世界上磁场强度最大、功能最强，性能最先进的，因此称其为世界第一流的强磁实验中心毫不为过。

美国国家强磁中心启建于1990年，在第一期工程中，美国人制造的主要设备是一台可产生磁通密度30T的连续强磁场装置，两台可产生27T磁场的磁装置。在第二期工程中，美国人又建造了一台可产生45T的强磁装置，并由美国国家自然科学基金会投资500万美元建造两台9.4T离子回旋共振系统（ICR），这也是世界上最强的ICR超导磁系统。

有了这个强有力的“磁场怪兽”支持，迄今为止美国国家强磁中心已经在如物理学、生物学和生命科学中开展了广泛研究，在特高场强、特殊温度和压力下完成了很多有关于磁学研究的探索，凭借这些优势，美国国家强磁中心助力欧美科学界取得了大批原创性重大成果，目前已经取得20余项与强磁场有关的诺贝尔奖级别成果，如量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像等，就问你牛不牛！

美国国家强磁场实验室的45T混合磁体

可惜的是，在很长的一段时间内，我国在稳态强磁场研究方面一直处于落后的局面，这也导致我国在过去这么些年中一直与诺贝尔奖级别的科研成果无缘，所以未来我们要想在生命科学、医学、功能材料和器件研究方面赶上欧美，那就必须要有咱中国人自己的稳态强磁场实验装置！

“知耻后勇，迎难而上！”

面对差距，中国科学家们决定奋起直追，但面对如天堑鸿沟一般的差距，要想追上人家谈何容易？

事实也是如此，其实中国的科学家们并非意识不到稳态强磁场的好处，他们早在1964年就计划在陕西汉中建立强磁场实验室，但因为种种原因，这个计划最终夭折。

第二次尝试始于1992年，在一众科学家们的努力下，中科院等离子体所终于成功建成了20T稳态强磁场实验装置，使我国成为当时世界上为数不多的拥有20T稳态强磁场装置的国家。但遗憾的是，之后我们还是棋差一着，没能抓住机遇进一步发展，使得好不容易缩小的差距又被拉大。

15年过去了，看着被欧美越落越远，咱们的科学家们心里急啊，于是中科院和教育部强强联手，联合申报了国家重大科技基础设施：强磁场实验装置（HMFF）建设项目。

真正的转机在2007年1月25日终于来到，这一天国家发改委正式批复这个项目，并列入国家高技术产业发展项目计划，经过将近10年的科研攻关，中国人自己的稳态强磁场实验装置终于在2017年9月正式竣工，至此，中国终于成为继美、法、荷、日之后的世界第5大稳态强磁场科学中心。

中国稳态强磁场装置混合磁体

强磁场实验装置（稳态）的系统示意图

中国稳态强磁场实验装置由五台水冷磁体、四台超导磁体、一台混合磁体和系列外围实验测量系统构成。和欧美现有的装置相比，中国人自研的装置中还有些独一无二的精妙设计，比如国际上首个扫描隧道显微镜-磁力显微镜-原子力显微镜合一的组合显微镜，该系统安装在20万高斯的超导磁体上，就好比把3种显微镜同时安装在了针尖上，和欧美同类型设备相比，其对材料进行表征研究的性能大幅提升。

这还不算完，后来居上的中国科学家们还顺手解决了一个让欧美老牌巨头们都头疼不已的难题，那就是由于超导磁体提供的磁场强度不足，要想在超高磁场中探测表面电子态，就必须要用到水冷磁体混合磁体！

问题就出在这，依靠水流冷却磁体虽然有效，但同时会伴随有巨大的震动，这对于对高精度的原子尺度测量来说无异于九级大地震一样，对于其测试结果影响非常大，此前欧美尝试了各种办法都没能很好的解决这个问题。

中国科学家也遇到了这个难题，但聪明的中国人没有延续欧美的老路继续研究下去，而是经过大量研究之后另辟蹊径，在欧美体系之外独创了一种水冷磁体扫描隧道显微镜系统，成功攻克了这一难题。

水冷磁体的结构

“中国人太不可思议了！”

得知中国科学家们成果的欧美，从此也收起了对中国人的小觑之心，再也不敢忽视这支异军突起的中国力量。

看到这也许有网友会问了：

“前两次研究中国都因为种种原因中断了，这第三次又发生了相同的事情吗？”

答案当然是否定的！毕竟咱中国人有句老话叫做“前车之鉴后车之师”，这次咱们在追赶欧美的道路上再没停歇，终于在2022年8月12日，正式超越曾经的世界第一美国，也就是文章开头的那一幕！

我相信，随着我国在基础科学领域和欧美的硬件差距被进一步抹平，未来的诺贝尔奖名单中，一定会出现咱中国科学家的名字，让我们拭目以待吧！