磁場(chǎng)之巔：中國全超導(dǎo)磁體書寫35.1特斯拉新紀(jì)錄
來源：中國科普博覽 時(shí)間：01-06 作者：李瑞
出品：科普中國
作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）
監(jiān)制：中國科普博覽
在物理學(xué)的世界里，磁場(chǎng)看不見、摸不著，卻無處不在。地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，產(chǎn)生約0.5高斯的地磁場(chǎng)——這個(gè)看似微弱的磁場(chǎng)，卻像一把隱形巨傘，守護(hù)著地球上的萬物免遭宇宙射線的侵襲。候鳥依靠它辨別方向，完成千里遷徙；信鴿借助它找到歸家之路。然而，當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D探索物質(zhì)的深層奧秘時(shí)，這樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。他們需要更強(qiáng)大的磁場(chǎng)——強(qiáng)到足以讓電子改變軌道，讓原子核的秘密顯現(xiàn)，讓新材料在極端條件下展現(xiàn)出意想不到的性質(zhì)。
近日，一個(gè)令國際科學(xué)界矚目的消息從合肥傳來：由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所牽頭，聯(lián)合合肥國際應(yīng)用超導(dǎo)中心、合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院、清華大學(xué)共同研制的全超導(dǎo)磁體，成功產(chǎn)生了35.1特斯拉的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。這個(gè)數(shù)字意味著什么？它相當(dāng)于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的70萬倍，是迄今為止全超導(dǎo)磁體所能達(dá)到的最高穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度。
35.1特斯拉全超導(dǎo)磁體
（圖片來源：央視新聞）
超導(dǎo)：零電阻的奇跡
要理解這項(xiàng)成就的非凡之處，我們首先需要先了解什么是超導(dǎo)。1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在研究汞的電阻隨溫度變化規(guī)律的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降至4.2開爾文（約零下269攝氏度）時(shí)，汞的電阻會(huì)突然消失。他將這一現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)”，而處于該狀態(tài)的材料被稱為超導(dǎo)體。
超導(dǎo)體有兩個(gè)神奇的特性：零電阻和完全抗磁性。零電阻意味著電流可以在超導(dǎo)體中永久流動(dòng)而不損耗能量，這讓超導(dǎo)磁體具有了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的電磁鐵需要持續(xù)供電才能維持磁場(chǎng)，消耗大量電能并產(chǎn)生驚人的熱量。而超導(dǎo)磁體一旦被“充電”完成，電流就會(huì)在超導(dǎo)線圈中持續(xù)循環(huán)，幾乎不需要額外能量就能維持強(qiáng)大的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。這種穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)對(duì)于科學(xué)研究至關(guān)重要——它可以持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天保持穩(wěn)定，讓科學(xué)家有充足的時(shí)間進(jìn)行精密測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。
然而，超導(dǎo)并非萬能。早期發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料——被稱為低溫超導(dǎo)體，只能在接近絕對(duì)零度的極低溫下工作，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了巨大挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代，高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)帶來了新的可能性。所謂“高溫”其實(shí)仍然很低，通常在零下100多攝氏度，但相比低溫超導(dǎo)體已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。更重要的是，高溫超導(dǎo)材料能夠在更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下保持超導(dǎo)態(tài)，這為建造更強(qiáng)的超導(dǎo)磁體開辟了道路。
雙劍合璧：高低溫超導(dǎo)的完美組合
此次創(chuàng)造世界紀(jì)錄的全超導(dǎo)磁體，采用了“高溫超導(dǎo)內(nèi)插磁體加低溫超導(dǎo)磁體”的巧妙設(shè)計(jì)。想象一下俄羅斯套娃——一個(gè)小娃娃套在大娃娃里面。這個(gè)磁體的結(jié)構(gòu)正是如此：高溫超導(dǎo)內(nèi)插磁體位于中心，像一個(gè)強(qiáng)勁的內(nèi)核；低溫超導(dǎo)磁體環(huán)繞在外圍，兩者同軸嵌套，精準(zhǔn)配合，形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
這種設(shè)計(jì)并非簡(jiǎn)單的疊加，而是充分發(fā)揮了兩種超導(dǎo)材料的優(yōu)勢(shì)。低溫超導(dǎo)材料技術(shù)成熟，制備工藝完善，能夠提供強(qiáng)大而穩(wěn)定的基礎(chǔ)磁場(chǎng)。高溫超導(dǎo)材料雖然工藝更復(fù)雜，但在高磁場(chǎng)環(huán)境下表現(xiàn)出色，能夠在低溫超導(dǎo)磁體提供的背景磁場(chǎng)中繼續(xù)“加碼”，將總磁場(chǎng)推向新的高度。這種組合就像接力賽中的兩棒選手，各自在最擅長(zhǎng)的賽段發(fā)力，最終共同沖向終點(diǎn)。
30分鐘的考驗(yàn)：從沖擊到穩(wěn)定
在2025年9月26日夜至27日凌晨的實(shí)驗(yàn)中，這臺(tái)凝聚著無數(shù)心血的超導(dǎo)磁體開始了它的挑戰(zhàn)之旅?？蒲腥藛T小心翼翼地將磁體勵(lì)磁，電流逐漸增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)步攀升。當(dāng)顯示屏上的數(shù)字最終定格在35.1特斯拉時(shí)，實(shí)驗(yàn)室里的氣氛既緊張又振奮。
但這僅僅是開始。對(duì)于一臺(tái)超導(dǎo)磁體而言，瞬間達(dá)到高磁場(chǎng)并不算真正的成功，關(guān)鍵在于能否穩(wěn)定運(yùn)行。就像一位馬拉松運(yùn)動(dòng)員，沖刺速度再快，如果無法持續(xù)奔跑也無法完成比賽?？蒲袌F(tuán)隊(duì)需要驗(yàn)證這臺(tái)磁體能否在35.1特斯拉的強(qiáng)度下穩(wěn)定工作，這關(guān)系到它能否真正用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
接下來的30分鐘，是對(duì)整個(gè)技術(shù)方案的全面考驗(yàn)。在這段時(shí)間里，磁體內(nèi)部的溫度、應(yīng)力、磁場(chǎng)分布都必須保持穩(wěn)定。任何一個(gè)參數(shù)的波動(dòng)都可能導(dǎo)致超導(dǎo)體“失超”——即失去超導(dǎo)態(tài)，電阻突然出現(xiàn)，瞬間釋放的巨大能量可能損毀整個(gè)裝置。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)密切關(guān)注著每一個(gè)細(xì)微的變化，科研人員的心也隨著時(shí)間的流逝而懸著。
30分鐘后，磁體順利完成穩(wěn)定運(yùn)行，隨后安全退磁。這次成功不僅創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，更重要的是驗(yàn)證了技術(shù)方案的可靠性，為在35.1特斯拉條件下開展各類樣品實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)。從這一刻起，中國科學(xué)家擁有了在全球最強(qiáng)穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)磁場(chǎng)中探索未知的能力。
全超導(dǎo)磁體測(cè)試曲線
（圖片來源：央視新聞）
從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用：磁場(chǎng)改變世界
強(qiáng)磁場(chǎng)不僅是科學(xué)研究的工具，更是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的引擎。在醫(yī)院里，核磁共振成像設(shè)備利用強(qiáng)磁場(chǎng)讓人體內(nèi)的氫原子核“發(fā)聲”，無創(chuàng)地呈現(xiàn)人體內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)。目前臨床使用的核磁共振設(shè)備磁場(chǎng)強(qiáng)度通常在1.5到3特斯拉，而更強(qiáng)的磁場(chǎng)能夠提供更高的分辨率和更快的成像速度。35特斯拉級(jí)別的超導(dǎo)磁體技術(shù)的突破，為下一代超高場(chǎng)核磁共振設(shè)備的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
在航天領(lǐng)域，超導(dǎo)磁體為電磁推進(jìn)系統(tǒng)提供了可能。傳統(tǒng)的化學(xué)火箭需要攜帶大量燃料，而電磁推進(jìn)系統(tǒng)利用強(qiáng)磁場(chǎng)加速等離子體產(chǎn)生推力，具有更高的效率和更長(zhǎng)的工作壽命。雖然35特斯拉的磁場(chǎng)對(duì)于地面研究設(shè)施而言已是極限，但這一技術(shù)的突破為更緊湊、更高效的航天推進(jìn)系統(tǒng)開辟了道路。
超導(dǎo)技術(shù)在能源傳輸和存儲(chǔ)領(lǐng)域也大有可為。超導(dǎo)電纜能夠無損耗地傳輸電能，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以高效地調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷。超導(dǎo)磁懸浮列車依靠超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)懸浮于軌道之上，消除了輪軌摩擦，理論上可以達(dá)到更高的速度。超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)則在材料加工、金屬冶煉等工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。
更重要的是，強(qiáng)磁場(chǎng)為探索新材料、新現(xiàn)象提供了不可替代的實(shí)驗(yàn)條件。在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，許多材料會(huì)表現(xiàn)出常態(tài)下觀察不到的奇異性質(zhì)。量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體、高溫超導(dǎo)機(jī)理等前沿課題的研究都離不開強(qiáng)磁場(chǎng)的支持。35.1特斯拉的穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)磁場(chǎng)，為中國科學(xué)家在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域開展世界領(lǐng)先的研究提供了獨(dú)特的平臺(tái)。
磁場(chǎng)之路：永無止境的探索
從1911年超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到今天35.1特斯拉全超導(dǎo)磁體的誕生，人類對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)的追求從未停歇。每一次突破都伴隨著材料科學(xué)、低溫物理、電磁工程等多個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同進(jìn)步。當(dāng)科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里小心翼翼地將溫度降至接近絕對(duì)零度，讓電流在超導(dǎo)線圈中無損耗地流動(dòng)，產(chǎn)生出地球磁場(chǎng)70萬倍強(qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)，他們不僅在挑戰(zhàn)物理的極限，更在拓展人類認(rèn)識(shí)世界的邊界。
這項(xiàng)由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所主導(dǎo)完成的成果，不僅創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，更彰顯了中國在前沿科技領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力與國際引領(lǐng)力。從材料研發(fā)到工藝創(chuàng)新，從理論設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完整的自主技術(shù)體系確保了中國在這一戰(zhàn)略性領(lǐng)域的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力。
在科學(xué)的道路上，每一個(gè)紀(jì)錄都是新起點(diǎn)而非終點(diǎn)。35.1特斯拉之后，科學(xué)家們已經(jīng)在思考如何突破40特斯拉、50特斯拉的關(guān)口。新的超導(dǎo)材料在實(shí)驗(yàn)室里誕生，新的磁體結(jié)構(gòu)在圖紙上勾勒，新的制備工藝在車間里嘗試。在這條永無止境的道路上，中國科學(xué)家正在書寫屬于自己的精彩篇章。