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走进国家脉冲强科学中心:中国建设的加速度

2019-01-16 20:58:59 科学189℃
编辑:卢本伟

  近日,国家重大科技基础设施、华中科技大学国家脉冲强科学中心成功实现64特斯拉脉冲平顶强度,创造了脉冲平顶强度新的世界纪录。在物理学家看来,这无异于开辟了研究微观物质世界的新天地。

  “研究高温超导材料,低温、强是必不可少的极端条件,我们需要60特斯拉以上的超强,才能达到高温超导材料的临界,从而了解材料在超导状态下的物理特性。”李军说,“国家脉冲强科学中心比我在国外的实验条件还要好,没有他们的支持,进展肯定不会这么顺利。”

  即便很优秀,也不是每次申请都能获批。“去年我就被拒了一次,原因是一项实验之前已经做过。”贤对此无可奈何。但是,当国家脉冲强科学中心建成,尤其是在脉冲平顶和超高重频方面取得突破后,国外的强已经“吸引不了”他了。

  正是有了创新“杀手锏”,国家脉冲强科学中心成了一块“磁铁”,吸引国内外顶尖人才造访。大学、大学、中科院物理所、美国斯坦福大学、英国剑桥大学、德累斯顿强实验室等顶尖科研机构纷至沓来,在高温超导、拓扑半金属、磁体、石墨烯等领域取得丰硕,并在《科学》《自然》等期刊发表SCI收录论文672篇。

  “强中心85%以上的材料、部件都是国产的。核心材料和部件是要不来、买不来、讨不来的。”李亮自豪地说。

  从素有脉冲强发源地之称的比利时鲁汶大学回到国内仅仅三年,上海科技大学李军教授就在高温超导材料领域取得突破。

  2013年10月,山水逶迤的武汉东湖畔,国家脉冲强科学中心迎来了20多位“磁性十足”的大咖。全球主要强实验室负责人和国际威专家都已到齐。

  上世纪80年代后期,高温超导成为热门研究领域,传统的稳态强已经力不从心。欧美发达国家开始加大强度更高的脉冲强建设,而我国在脉冲强设施方面,基本是空白。

  不同科学研究需要不同的波形,为了提高装置的运行效率,李亮把整个装置设计成模块化结构,由一套中央控制系统实现3类电源和8个实验站的灵活组合。这样一来,就可以在同一科学实验站的同一磁体上产生多种波形,大幅提升了我国脉冲强实验装置的科研产出。

  

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  过去,贤教授长期在美国开展强实验,每年需要花费数十万元不说,还得地写申请、排队等机时。欧美的强实验室虽然向所有科学家,但是少不了“挑肥拣瘦”。

  中心常务副主任韩小涛教授负责的控制系统是让装置动起来的“中枢大脑”。强电流、强和极低温等极端条件对控制系统的可靠性、稳定性及安全性都提出了极为苛刻的要求,凭借团队自力更生、艰苦奋斗的,控制系统运行至今,无一起严重控制故障。

  从无到有、从弱到强,国家脉冲强科学中心创造出惊人的中国速度和中国强度:开工仅仅11个月,脉冲强实验装置样机系统就已研制完成。强度从2009年的75特斯拉,到2013年的90.6特斯拉,不断刷新我国脉冲强度纪录。

  中国工程院院士潘垣敏锐地意识到,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装置。

  他们不敢相信,中国人要公开进行实验演示,因为产生脉冲的强大电流和电磁应力,随时会“爆表”。在此之前,国际上从来没一个实验室敢公开进行数实验演示,德累斯顿强实验室就曾在公开演示中发生过磁体爆炸。

  

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  中国电机工程学会鉴定认为,该项目在脉冲平顶强度和高场重复频率上创造了两项世界纪录,结束了我国强下科学研究长期依赖国外装置的历史。

  2007年,被李培根校长“三顾茅庐”打动的李亮,告别妻女,放弃GE公司的高薪职位,只身来到武汉,主持脉冲强实验装置的建设工作。

  国家脉冲强科学中心对外运行4年来,取得了包括近90年来首次发现的全新规律量子振荡现象等一大批创新,成功跻身国际领先的脉冲列。

  

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  把一块材料放在相当于地球磁强度120万倍的强下,持续10毫秒,或者以毫秒级的时间间隔反复强,会发生什么?

  “我们可以用它测量热电信号,研究材料的自旋动力学,这对存储材料的改进提升将有极大的帮助。”复旦大学贤教授听闻这个消息,一下找到了未来的科研方向,“这在国际上也是独一无二的!”

  磁现象是物质的基本现象之一。首先,当物质处在强中,内部电子结构可能发生改变,产生新现象。此外,物质本身最重要的特性之一——电子结构(费米面)也能通过强下量子振荡的手段间接观测出来。因此,自1913年以来,包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像和第二类超导体等与有关的诺贝尔有19项。强与极低温、超高压一起,被列为现代科学实验最重要的极端条件之一。

  国家脉冲强科学中心设备的每一个电设计图都由团队自己绘制,每一个零件都是团队自己安装调试。磁体是脉冲强装置的核心部分,而磁体线圈的研制不仅要求十分严格,而且没有“回头”,只能一次成功。负责手工缠绕磁体线圈的彭涛教授,常常“做梦都在绕磁体”,生怕出一点差错。

  1个控制中心,8个实验站,整整1天实验,外国专家们闭门讨论3个小时。当会议室大门打开的那一刻,中心主任李亮教授紧锁的眉头终于舒展,“这里的脉冲强设施已经跻身于世界上最好的脉冲场之列”,国际同行给出评价。

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