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最強大的超導磁體32T助力探索前沿科研領域


2018年6月14日06時 今日科學 Embark有方教育
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超導磁體32T

美國國家高磁場實驗室創造了世界上最強大的超導磁體。命名為32T,它比以前的磁石更強大33%,比冰箱磁鐵強數千倍。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。

32T 超導磁鐵的設計概念圖。

他們的新超導磁體是在MagLab Tallahasee工廠製造的,它產生了32塊特斯拉的磁場,比之前保持記錄的磁鐵強了近33%(32T命名由來)。作為參考,這比我們放在冰箱上的磁鐵強3000倍。根據MagLab的說法,上周創下的世界紀錄是過去40年來最大的進步之一。

超導

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。

高溫和高磁場的工作環境

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。

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里程碑。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。

高級物理超導體對於一系列不同設備的運行已經至關重要,從核磁共振機到高速運輸系統,核聚變反應堆到巨大的粒子對撞機。因此,這種超導磁體有望幫助推進幾個領域的研究,包括物理、化學、生物學和量子物質。為了幫助它的使用,MagLab允許來自世界各地的科學家申請使用它的機會。

MagLab

MagLab主任格雷格·博賓格在一份新聞稿中說:「這是磁鐵技術的一個變革步驟,是一場正在醞釀中的真正革命。」這種先進的磁鐵設計不僅能讓我們在實驗室提供新的實驗技術,而且還將增強X射線和中子散射等其他科學工具在世界各地的力量。

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。

然而,這個團隊並不打算停在32 teslas。總有一天,超導磁體可能和實驗室破紀錄的電阻磁鐵一樣強大,儘管MagLab工程師HuubWeijers監督磁體的建造預見到磁體的作用將進一步擴大。「我們開闢了一個巨大的新領域,」韋傑斯在新聞稿中說。「我不知道這個限制是什麼,但它超過了100teslas。需要的材料已經存在。我們和100teslas之間的只是技術和美元。

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。

有方教育——我們的導師來自耶魯大學、麻省理工學院、史丹福大學等世界頂尖名校,致力為讓中學生提供來自學界業界前沿的學術科研教育內容,旨在讓學生在親身實踐的過程中深入淺出地理解前沿科技。

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