问题:强磁场是观测和调控物质微观行为的重要“放大器”和“刻刀”。量子材料、超导机理、强关联电子体系以及生命体系精细结构研究中,许多关键现象只会在超低温与极强磁场等极端条件下显现。长期以来,全超导用户磁体要在高场强、稳定性、均匀度、有效孔径与长期可靠运行之间取得平衡,工程难度极高。国际上可稳定对外开放的全超导用户磁体曾以32.0特斯拉为标杆,这也在一定程度上限制了部分基础研究的实验边界。 原因:此次实现35.6特斯拉,来自国家重大科技基础设施的能力迭代与关键技术集成突破。综合极端条件实验装置已于2025年2月通过国家验收,本次纪录是在原有全超导磁体基础上的优化升级,体现出大科学装置持续演进的路线。研制过程中,中国科学院电工研究所承担超导磁体系统设计制造,中国科学院物理研究所聚焦高温超导磁体健康监测、极低温高磁场精准测量以及磁体与低温系统、用户测量系统的集成等关键环节。强磁场超导磁体工程化面临多学科耦合挑战,尤其是高温超导材料存在临界电流与力学性能各向异性明显、屏蔽电流效应突出、尺寸偏差等现实问题,容易引发电磁—机械安全裕度不足、磁场测量不确定度增大、运行稳定性下降等连锁难题。针对这些瓶颈,联合团队在电磁精细设计、结构预紧与屏蔽电流抑制各上形成成体系方案,提升了装置高场强区间的安全与可用性,并通过健康监测与精密测量手段增强长期运行可靠性。 影响:35.6特斯拉的中心磁场意味着我国在全超导用户磁体领域实现关键跃升。对公众而言,常见医用核磁共振磁场多为1.5特斯拉或3特斯拉;此次磁场强度约为其12倍至24倍,远超日常体验尺度。对科研而言,强磁场不仅能“看得更清”,还可通过调控自旋、轨道与能带结构,推动对新奇量子态、相变机制和微观相互作用的验证与发现。此次装置可用孔径达到35毫米,在强磁场与低温的叠加条件下仍能满足核磁共振、比热、电阻等多类实验需求,将为国内外科研团队开展前沿研究提供更高品质的公共平台。业内观点认为,这个突破使我国综合极端条件实验装置跻身国际领先行列,为物质科学、生命科学等领域提供核心支撑条件,也将带动高端装备制造有关技术链条的完善与升级。 对策:面向持续提升强磁场能力,需要在材料、设计、制造、测量与运行保障上联合推进。一是围绕高温超导材料的工程一致性与可制造性开展攻关,提升关键参数稳定性,降低各向异性与尺度偏差带来的设计不确定性。二是强化磁体系统的全生命周期可靠性设计,完善健康监测体系与失效预警机制,确保在极低温高场强条件下长期稳定运行。三是推动磁体系统与低温系统、用户测量系统的深度耦合优化,提高装置对多学科实验的兼容性与开放服务能力。四是加强知识产权布局与关键工艺自主可控,形成可持续迭代的技术体系,为重大科技基础设施的稳定运行与升级提供制度化支撑。 前景:联合团队表示将继续协作,推动40特斯拉及更高场强的全超导用户磁体研制,并探索继续扩大孔径以适配更多测量手段。从国际趋势看,面向更高磁场、更高稳定性、更高可用性的全超导技术路线,将在基础研究和高端应用之间形成良性循环:一上,极端条件平台将催生新的科学问题与重大原创成果;另一方面,材料与工程能力的积累将反哺先进科学仪器、高端医疗装备、能源交通与国防特种装备等领域,拓展强磁场技术的应用边界。随着装置开放共享能力持续提升,我国有望极端条件科学研究与相关关键装备体系化供给上形成更强的国际竞争力。
这项世界纪录的诞生,不仅表明了我国在极端条件实验装置领域的硬实力,更说明了新型举国体制下关键核心技术攻关的显著成效。随着强磁场技术的持续突破,我国正为全球基础科学研究提供新的实验平台,也为高端装备制造和战略新兴产业发展注入强劲动能。未来,这项"国之重器"有望催生更多原创性科研成果,推动我国在世界科技前沿领域实现更大突破。