塞巴斯蒂安教授團(tuán)隊(duì)最近一次來華訪問交流，全留在了位于武漢華中科技大學(xué)的國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心。利用這里的強(qiáng)磁場裝置開展研究，得到的一組高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讓她喜出望外。
“武漢的國家脈沖強(qiáng)磁場裝置是世界一流的設(shè)施，幾年來我屢屢造訪武漢，用這里的設(shè)施開展新的研究。”這位來自英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的女科學(xué)家說。
國家脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)為國內(nèi)外科學(xué)家提供超強(qiáng)磁場、極低溫、超高壓等極端實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究的國家級科學(xué)研究中心，這也是國內(nèi)唯一的大型脈沖強(qiáng)磁場科研基礎(chǔ)條件平臺。從2013年10月接受國際評估那天起，就已躋身世界四大脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心行列。
強(qiáng)磁場服務(wù)全球科學(xué)家
王健，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授，博士生導(dǎo)師。
5年來，他已經(jīng)數(shù)不清自己第幾次到武漢。“我回國后的許多研究成果，都離不開武漢國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心。”王健告訴科技日報(bào)記者，強(qiáng)磁場是研究材料本質(zhì)特性的“放大鏡”，磁場越高，新現(xiàn)象、新物態(tài)出現(xiàn)的機(jī)率就越大，給自己的研究帶來的機(jī)遇就越大。
“強(qiáng)磁場在證明對數(shù)周期量子振蕩的過程中起到了至關(guān)重要的作用。”王健說，一個(gè)月前，在國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心58T（特斯拉）磁場強(qiáng)度下，他和謝心澄院士研究團(tuán)隊(duì)清晰觀測到了5個(gè)振蕩，獲得了可靠的測量數(shù)據(jù)，被評價(jià)為近90年以來量子振蕩領(lǐng)域最為重要的發(fā)現(xiàn)之一。
與王健相似，塞巴斯蒂安也已離不開武漢的強(qiáng)磁場裝置。“如果沒有國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心的設(shè)施和學(xué)識淵博的工作人員，我的研究小組將無法開展新的量子材料研究，而這些研究有望為未來提供再生能源。”她這樣告訴科技日報(bào)記者，眼下她正在沖擊一項(xiàng)期待已久的成果。卡文迪許實(shí)驗(yàn)室是近代科學(xué)史上第一個(gè)社會化和專業(yè)化的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，催生了大量足以影響人類進(jìn)步的重要科學(xué)成果，誕生過29位諾獎科學(xué)家。
“這是開放的平臺，世界共享。我們的裝置已為69家科研單位提供了904項(xiàng)科學(xué)研究服務(wù)，裝置開放運(yùn)行及成果產(chǎn)出與世界最高水平實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)。”國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心常務(wù)副主任韓小濤教授說，這些用戶不僅遍含國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)和科研院所，也囊括了哈佛、劍橋、斯坦福等全球頂級用戶。利用這里的實(shí)驗(yàn)條件開展研究，截至目前，他們在《科學(xué)》《自然》等國際頂級刊物已發(fā)表論文672篇。
為國際主流脈沖磁體設(shè)計(jì)提供支撐
磁體猶如強(qiáng)磁場的心臟。
時(shí)任華中科技大學(xué)校長的李培根院士當(dāng)年“三顧茅廬”請回的李亮教授，是全球強(qiáng)磁場磁體設(shè)計(jì)的頂尖高手。李亮的歸來，帶動我國脈沖強(qiáng)磁場裝置的理論分析和研制水平迅速躍居世界前列。
“我們提出了脈沖磁體非連續(xù)性層間加固理論和工藝實(shí)現(xiàn)方法，解決了高參數(shù)脈沖磁體的力學(xué)穩(wěn)定性問題，大大提高了磁體的性能和壽命，降低了成本。”李亮說，他們常規(guī)使用的65T脈沖磁體平均壽命超過800次，遠(yuǎn)超國際同行350次至500次的水平。而由中心開發(fā)的脈沖磁體設(shè)計(jì)專用平臺PMDS，已被美國橡樹嶺、牛津大學(xué)、歐洲強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室等世界頂級實(shí)驗(yàn)室廣泛采用。
法國圖盧茲國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室奧列克西·德拉琴科博士在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，PMDS是一款功能強(qiáng)大、使用方便的優(yōu)秀軟件，它可實(shí)現(xiàn)脈沖磁體許多參數(shù)的計(jì)算，還可非常簡便地進(jìn)行線圈幾何結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線和加固材料層數(shù)等變量的設(shè)計(jì)。計(jì)算包括電感、磁場、脈沖寬度、均勻度、應(yīng)變應(yīng)力分布、溫度分布等電參數(shù)和機(jī)械參數(shù)，最后還能指導(dǎo)磁體研制所需材料的訂購。“我認(rèn)為PMDS可讓一大批科學(xué)家和工程師參與脈沖磁體設(shè)計(jì)，這是將磁體設(shè)計(jì)水平推向新高度的重大成績。”
PMDS已被歐盟第六框架項(xiàng)目“下一代脈沖磁場用戶設(shè)施的設(shè)計(jì)研究”（簡稱DeNUF）采納為磁體設(shè)計(jì)工具，這個(gè)項(xiàng)目資助德國、法國、英國、荷蘭等幾個(gè)國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室共同開展下一代脈沖磁體研究。來自中國的脈沖磁體設(shè)計(jì)平臺為他們提供了支撐。
技術(shù)創(chuàng)新工程創(chuàng)新與制度創(chuàng)新并駕齊驅(qū)
在國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心不起眼的一角，一塊直徑1.38米的大型鋁合金板件剛剛整體成形。“這是與相關(guān)部門合作，首次使用多時(shí)空脈沖強(qiáng)磁場成形制造的航天器無焊縫底殼部件。”韓小濤自豪地說，如此大面積的殼體電磁成形以及大直徑鋁管和鋼管的電磁“焊接”，在國際上都是首次。
針對國內(nèi)外現(xiàn)有大型、復(fù)雜板管類零件的成形受限于工藝裝備和材料性能的難題，國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心一班人基于先進(jìn)的脈沖磁體技術(shù)、脈沖電源及控制技術(shù)，提出了組裝后整體充磁的創(chuàng)新型工藝方法。這項(xiàng)技術(shù)的成功，將打破美、德等國的技術(shù)封鎖，將廣泛應(yīng)用于車用永磁同步電機(jī)、永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、永磁磁共振成像等大型永磁設(shè)備，市場前景廣闊。
這一項(xiàng)項(xiàng)創(chuàng)新，也是華中科技大學(xué)“雙一流”建設(shè)進(jìn)程中，加強(qiáng)優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)的一個(gè)縮影。“多學(xué)科的交叉與融合，是創(chuàng)新的源泉，也是華科的優(yōu)勢！”國家脈沖強(qiáng)磁場裝置建設(shè)的首倡者、中國工程院院士潘垣說，國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心之所以誕生在華科，是“順勢而為”的結(jié)果，這也是全國第一個(gè)落地在高校的國家大科學(xué)裝置，意在促進(jìn)世界一流高校建設(shè)的同時(shí)聚合力量，在科學(xué)技術(shù)前沿取得重大突破、解決經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家安全中的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和前瞻性科技問題。
“作為高校搞大科學(xué)裝置的第一撥‘吃蟹人’，我們還要像搞科研一樣，在裝置運(yùn)行的體制機(jī)制上不斷創(chuàng)新，突破重重障礙，才能讓強(qiáng)磁場裝置持久、高質(zhì)量地服務(wù)全球科學(xué)家。”李亮說，未來的路還很長。（記者 趙漢斌 劉志偉）