刷新世界紀錄!美國國家強磁場實驗室開發出32T的超導磁體

2020-12-08 環球創新智慧

導讀

近日，美國國家強磁場實驗室打破了一項世界紀錄：他們測試了磁感應強度為32T的超導磁體，比之前世界上最強大的超導磁體的磁感應強度還要強33%，比一個小型冰箱磁鐵強3000倍。

背景

超導，是指某些物質在一定溫度條件下（一般都是極低的溫度）電阻降為零的特性。1911年，荷蘭科學家H·卡茂林·昂內斯發現，將汞冷卻至 -268.98℃（4.2K）時，汞的電阻突然消失了。此時，汞實際上就成為了超導體。超導體，具有一些列的優秀特性，例如零電阻、反磁性、量子隧道效應，因此它可應用於發電、輸電、儲能、磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等方面。

（圖片來源：維基百科）

但是，需要特別注意的是，4.2K 是一個極低的溫度，非常接近絕對零度（0K）。長時間以來，極低的溫度條件也限制了超導體的應用。另外，「低溫超導材料」不僅需要工作在極低的溫度環境中，而且通常會在內部磁感應強度高於25特斯拉時停止工作，這也限制了超導磁體的磁場強度。特斯拉是磁感應強度的單位，符號表示為T，一個小型冰箱磁鐵約為0.01特斯拉。

因此，科學家們一直都在探索於相對較高的溫度條件下實現超導。1986年柏諾茲和繆勒發現了35K 超導的鑭鋇銅氧體系。這一突破性發現導致了更高溫度的一系列稀土鋇銅氧化物超導體的發現。通過元素替換，1987年初美國吳茂昆（朱經武）等和我國物理所趙忠賢等宣布了90K 釔鋇銅氧超導體的發現，第一次實現了液氮溫度（77 K）這個溫度壁壘的突破。柏諾茲和繆勒也因為他們的開創性工作而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。

直到2015年8月，德國馬克斯·普朗克協會化學研究所發布公報稱，其研究人員發現，高壓下的硫化氫會在零下70攝氏度（203K）時失去對電流的阻礙能力。此時，超導臨界溫度最高紀錄已經達到203k。

高溫超導體不僅可以在更高的溫度下工作，而且對於磁體設計者和科學家們更重要的是，它也可以在高強度的磁場中工作。

創新

近日，總部位於佛羅裡達州立大學的美國國家強磁場實驗室打破了另外一項世界紀錄，他們測試了磁感應強度為32T的磁體，比之前世界上最強的超導磁體的磁感應強度強33%，比一個小型冰箱磁鐵要強3000倍。

12月8日，新型磁體的磁感應強度達到32T。這種「32T」的磁體由傳統的低溫超導體和新型高溫超導體結合而成，使得物理學家們可以研究材料，探索電子之間是如何交互的以及它們的原子環境，為我們帶來一系列的新型設備。

（圖片來源：MagLab）

技術

32T的磁感應強度是由該實驗室的工業合作夥伴牛津儀器製造的低溫超導磁體，與一種由釔、鋇、銅、氧組成的高溫超導材料YBCO結合而製成。MagLab 的科學家和工程師們與SuperPower Inc.公司合作多年，採用這種巧妙的材料形成可靠的磁場。作為整個過程的一部分，他們開發的新技術可用於絕緣、加強和斷開系統。

作為超導磁體，32T具有非常穩定的均質磁場，適用於高度靈敏的實驗。它結合強度和穩定性，對於研究人員來說，可謂兩全其美。

價值

MagLab 負責監督這項建設的科學家 Huub Weijers 表示，對於這項破紀錄的影響來說，32T只是剛剛開始。Weijers 表示，他們正在開闢一個新領域。雖然他們還不知道極限是什麼，但是它超過了100T。這項創新所需的材料已經存在。他們與100T的目標之間相隔的只是技術和美元。

MagLab 的首席科學家、物理學家 Laura Greene 表示，新型磁體為科學家們帶來前所未有的新見解。科學家們希望它能為一系列研究領域帶來了新突破。物理學家們對於量子物質的進展特別感興趣，量子物質描述了新型超薄材料、拓撲材料和複雜磁性材料中奇特的物質狀態。

這種新磁體成為了高溫超導特性的裡程碑。這種32T新磁體成為獲得諾貝爾獎的科學發現：「高溫超導體」的首個主要應用。幾十年來，超導磁體的世界紀錄一直都在緩慢遞增，而這次飛躍比以往40年來所有的提升都要更大。

（圖片來源：MagLab）

MagLab 主任 Greg Boebinger 表示，這項創新在磁技術方面是具有轉折性意義的一步，標誌著市場上的真正變革。這種尖端的磁場設計，不僅在實驗室中為科學家們提供了一種新型實驗技術，而且還將提升其他科學工具的功能，例如全球的X光和中子散射工具。

對於MagLab來說，這是具有標誌性意義的一年。32T是過去13個月測試得到的第三次世界紀錄，還有去年夏天測試得到的41.4T的常導磁體，以及2016年11月份達到全磁場的36T的系列串聯混合磁體。

明年，這種新設備可供科學家使用。和實驗室中的所有磁體一樣，全世界的科學家都可以利用它，在物理、化學、生物、材料、健康、能源等領域探索新的發現。

關鍵字

磁、超導

參考資料

【1】http://news.fsu.edu/news/science-technology/2017/12/12/national-maglabs-latest-magnet-snags-world-record-marks-new-era-scientific-discovery/

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