地球磁场强度约0.5高斯。在合肥科学岛上的中国科学院强磁场科学中心，科学家正在建造的混合磁体装置所能产生的稳态磁场强度高达45万高斯，是地球磁场强度的90万倍——

　　■ 本报记者 汪永安 桂运安

　　磁现象是自然界的基本现象之一。科学研究早已证实，磁场不仅可以有效调控物质内部的电荷、自旋和轨道之间的相互作用，从而产生常规条件下没有的新现象和新效应，而且也催生出系列新技术的发明和重大应用。因此，强磁场与极低温、超高压一样，被列为现代科学实验最重要的极端条件之一，也被国际上视为21世纪科学、工程和技术的交叉联合体。为什么要建强磁场中心？稳态强磁场对科学研究有什么作用？日前，记者走进中科院强磁场科学中心，为您揭开稳态强磁场的神秘面纱。

　　“魔力”巨大 极端条件成为新现象的“掘金池”

　　关于强磁场的“魔力”，科学史上有一个著名却未经证实的“费城实验”：1943年10月，美国海军在费城进行一次人工强磁场的机密试验，成功地将一艘驱逐舰及全体船员投入另一空间。在实验过程中，实验人员启动脉冲和非脉冲器，使船只周围形成了一个巨大的磁场。随后，整条船被一团绿光笼罩着，船只和船员也开始从人们的视线中消失。

　　“费城实验”是否做过，至今仍是个谜，但科学研究证实，在强磁场“魔力”下，的确会出现很多神奇现象，譬如某些超导体可以瞬间变成绝缘体。自从1820年丹麦物理学家奥斯特发现在通电导体周围存在磁场以来，人们开始了对磁场的研究。在现代科技和人类生活中，处处离不开磁场，如发电机、电动机、电话、收音机乃至热核聚变装置等无不与磁现象有关。

　　强度超过1万高斯的磁场往往被称为强磁场，而大于10万高斯的磁场被称为超强磁场。目前，对于20万高斯以下的稳态磁场，大多采用超导材料制作的磁体来产生。而大于20万高斯的稳态磁体装置大多采用水冷电阻磁体，目前也只有5个国家具备这种能力，中科院强磁场科学中心是这5大强磁场中心之一，目前已具备产生38.5万高斯稳态强磁场的能力。强磁场极端条件在材料、物理、化学、医学、生物工程、磁约束可控聚变能等多个领域有着非常重要的作用，对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要意义。

　　数十年来，各国学者在强磁场领域的科学研究非常活跃，取得大批原创性成果，并推动了相关新兴高技术产业的发展。自1913年以来，有19项与强磁场有关的成果获诺贝尔奖，仅近20年就有8项，如整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像等，发达国家竞相将强磁场作为重大科技基础设施建设的重点。此前，我国没有真正用于科学实验的强磁场装置，在强磁场下的科学研究几乎是空白。中科院强磁场科学中心研究员田明亮认为，要在物质科学、生命科学、医学等方面赶上世界先进水平，就必须尽快建立具有世界水平的强磁场科学装置。

　　后来居上 强磁场中心创造多项世界纪录

　　越高的磁场强度将导致越显著的磁场效应，超强磁场的实验装置在科研方面的价值更大。目前，相当于地球磁场百万倍的稳态强磁场，只能靠人为产生。为促进科技发展，国家发改委于2008年初批准了国家重大科技基础设施——“强磁场实验装置”的设计方案，确定稳态强磁场实验装置由中科院合肥物质科学研究院承建，中国科学技术大学参与共建。

　　2008年5月，项目正式开工。截至目前，已基本建成水冷电阻稳态强磁场实验装置，以及围绕磁体装置下的电导、磁性、磁光、合成、磁共振和成像6大类实验测量系统。另外，正在建设系列包括极低温、超高压、超快光学等综合极端实验条件以及强磁场下的结构与微结构、成像和材料制备等系统。它们是一系列针对物理、材料、化学和生命科学等研究及多学科交叉研究所需的大型复杂科学研究设施，将为探索物质科学和生命科学的未知世界、发现其自然规律、实现功能材料和医疗等技术变革提供独特的研究手段。

　　田明亮介绍，磁场产生的原理非常简单，但实现20万高斯以上稳态强磁场，是一件难度极高的任务。普通家庭用电电流强度只有几十安培，而要产生38万高斯的磁场，需要的电流强度接近4万安培。这就需要功率达到2800万瓦的高稳定度直流供电系统，而研制如此巨大功率的稳态直流电源，此前国内没有经验，也没有厂家拥有生产相关设备的能力。田明亮透露，中科院强磁场中心电源组的科研团队克服了许多技术难题，才获得成功。由于强电流通过磁体的比特线圈会产生大量的热量，还必须建设没有杂质和氧气的高纯水冷却系统，以确保强磁场装置不会因高热受损。

　　记者了解到，我国稳态强磁场装置虽然建设晚，但起点高，紧盯国际最先进的装备。总工程师高秉钧研究员是国际著名磁体设计专家，曾参与美国国家强磁场中心建设。他设计的5台水冷磁体装置，其中有3台已经创造稳态磁场世界纪录：单台水冷磁体在10兆瓦功率下获得了创世界纪录的稳态磁场强度（27.5万高斯）；磁体中心孔径分别为32毫米、50毫米的两台水冷磁体装置，分别创造了35万、38.5万高斯的世界最高稳态磁场纪录。稳态磁场强度达45万高斯，孔径32毫米的混合磁体（由水冷磁体和超导磁体组合而成）正在建设中，预计今年底完成。

　　边建边用 强磁场装置催生大批科技成果

　　早在强磁场项目申请过程中，中科院强磁场科学中心首席科学家、中科院院士张裕恒就在构思如何利用强磁场装置支持我国物理、材料、化学、生命科学等学科的前沿发展，为此谋划建设了一系列独特的实验测试系统，并遵循边建设边运行的模式，近年来在几个国际前沿领域做出了系列有重大国际影响力的科研成果。

　　在美国重点大学留学和工作了13年的陆轻铀博士，主要致力于材料表面的显微研究，他在强磁场中心发明的能在强磁场下工作的组合显微镜系统，成为国际首创的强磁场下材料研究的锐利武器。田明亮研究员在国外工作多年，2011年受聘强磁场中心开展强磁场下的拓扑绝缘纳米线的物性研究，短短几年时间，已经在国际著名杂志《纳米快报》《美国化学学会纳米》和《科学报道》等刊物上发表了十多篇论文。另外，其他单位科研人员凭借部分建成的装置，也获得了许多高水平科研成果。

　　强磁场装置中包含的核磁共振、电子顺磁共振和磁共振成像等实验系统，都是生命科学研究最先进的技术手段，将它们有机组合利用，可以形成从生物分子、细胞、器官、小哺乳动物、直至更为接近人的灵长类动物的生命科学研究链条。中科院强磁场科学中心从美国哈佛大学医学院引进的王俊峰研究员，首次提出钙离子可以通过调控生物膜与膜蛋白质之间的相互作用发挥生理功能，论文2013年1月发表在国际权威刊物《自然》上。这项研究填补了T细胞信号跨膜传导研究的空缺，进一步丰富了生物体内钙离子的生理功能。同样来自哈佛大学医学院的刘青松课题组与哈佛大学医学院课题组合作，开发了一种新型激酶选择性不可逆抑制剂，并发现该抑制剂和另一种激酶抑制剂组合后，可显著抑制前列腺癌细胞的增殖。

　　目前，在中科院强磁场科学中心固定岗位上工作的有32名研究员。田明亮表示，随着先进稳态强磁场实验装置的完全竣工和投入使用，多学科研究可能会实现更多突破。

　　【科学名片】

　　高斯，磁感应强度或磁通量单位，为纪念德国物理学家、数学家高斯而命名。高斯是很小的单位，10000高斯等于1特斯拉（T）。图为科学岛稳态强磁场科研装置。

　　本报记者 杨竹 摄