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热点网     发布时间:2018-10-10   
       日本科学家实现了高达 1200 特斯拉的超强磁场,刷新实验室磁场强度记录。实验场面非常壮观,实验仪器和一扇铁门瞬间“壮烈牺牲”,好在无人伤亡。   团队负责人嶽山正二郎教授表示,他也没想到磁场会这么强,原本估计能达到 700 特斯拉。   近期,科学界除了黎曼猜想和诺奖以外,还有一件大事情——就在诺奖颁布的几日前,日本科学家宣布刷新世界最强磁场纪录,制造出 1200 特斯拉的超强磁场。   而在这个超强磁场诞生的一瞬间,整个实验室瞬间“一路火花带闪电”,场面颇为壮观也十分惊险。万幸的是,当时研究人员们所处的控制室与实验室仍有一定距离,最终无人伤亡,只有仪器和一扇铁门英勇牺牲。 图丨地表最强磁场果然大场面   这个看似“疯狂”的实验由日本东京大学嶽山正二郎教授(Shojiro Takeyama)带领团队于今年 4 月完成,论文发表在今年 9 月的《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)上。   在如此强大的磁场中,电子的运动会被限制在 1 纳米的空间内,从而允许研究人员进行更精准的测量,探索新的固体物理学奥秘。那么,这个 1200 特斯拉究竟是什么一个概念呢? 图丨一只在磁场中悬浮的青蛙   在以往的实验中,科学家曾利用 16 特斯拉的磁场让一只(无辜的)青蛙悬浮在空中,但我们生活中几乎接触不到 16 特斯拉的磁场,更别提 1200 特斯拉了。   日本科学家:我也没想到它这么强啊!   早在今年 1 月,嶽山正二郎教授及其团队就利用“电磁浓缩法”成功产生了 985 特斯拉的磁场,刷新了室内可控磁场强度的记录。 图丨Shojiro Takeyama(来源:东京大学)   在强烈进取心的驱使下,研究团队在当时曾表示,1000 特斯拉以上的磁场才是他们追求的目标。经过 3 个月的不断研究,嶽山的研究团队终于打破了自己的记录。   但是幸福总是“短暂”的,强度高达 1200 特斯拉的磁场持续了 100 微秒 —— 约为人眨眼时间的三千分之一,之后就烧毁了实验线圈,还顺便破坏了实验室的铁门。可谓是事了拂袖去,深藏“功与名”。 图 | 嶽山研究室合影(来源:嶽山研究室)   至于破纪录磁场的诞生过程,研究室的主要负责人嶽山正二郎教授表示:“我也没想到一下子造出了 1200 特斯拉的磁场。原本估计这次实验会创造出 700 特斯拉左右的磁场,所以就按照这个强度设计了实验室的厚铁门,因此在实验中被炸坏了。所幸没有人受伤。”   要知道,我们生活中接触的最强磁场可能就是医院的核磁共振仪了,它的主磁体可以达到 3 特斯拉的强度,仅为实验中磁场强度的 1/400。至于我们熟悉的普通磁铁和冰箱贴,它们的磁场强度仅有 0.001-0.01 特斯拉,完全无法相提并论。   事实上,俄罗斯科学家早在 2001 年就曾经创造出 2800 特斯拉的超强磁场,但是他们采用的方法非常极端:在电线圈和磁场产生设备附近引爆成吨的 TNT 炸药,用爆炸带来的冲击力压缩磁场,提高磁场强度。显而易见,这个自毁式的方法根本无法在室内进行,也无法有效地控制和重复,因为所有实验设备都会被炸毁。   刹那间结束的实验   实验中使用的磁场产生设备十分庞大和复杂,其核心部分由储存巨大能量的电容器,主线圈,内衬管和励磁线圈组成,一些零部件甚至只有少数公司才能生产。 图 | 部分实验设备结构图(左)和实验数据图(右)(来源:嶽山正二郎)   在开启设备后,充满电的电容器(图中左上灰色区域)会提供 3.2 兆焦耳(最多 5 兆焦耳)的能量。这些能量通过 480 根独立电线传输到主线圈(图中左下灰色圆环)中,由此产生的电流以每微秒 40 万安培的速度增加,最终达四百万安培。这种瞬间产生的巨大电流会创造一个强磁场,并在 1.5 毫米厚的内衬管(图中左下橘黄色圆柱体)内部产生感应电流。   这两股电流会产生互相排斥的磁场。由于主线圈由铜和铁制成,相对于薄薄的铜内衬管更加厚重,因此排斥力和质量的差异会让内衬管以 5 千米/秒的速度向内内爆。这种现象会不断压缩主线圈的静态磁场,其强度约为 3.2 特斯拉,与核磁共振仪主磁体相当。   在压缩过程中,研究人员利用了法拉第效应来测量磁场的强度,即当激光穿过磁场时,它的偏振会被磁场扭曲,结合传播介质的长度和扭曲的角度,便可以得出磁场强度。他们在主线圈中放入了反射性光学探测装置,辅以熔融石英棒,透镜,塑料棒和磁场探头等多种微米和毫米级器材,来识别和测量入射激光的偏振等数据,再经过分析射出的激光数据,计算得出最终的磁场强度变化和峰值。 图 | 磁场强度的测量方法(来源:嶽山正二郎)   在经过了 40 多微秒的挣扎后,内衬管无法再一步压缩,其磁场强度达到了 1200 特斯拉的峰值。此后,内衬管以相似的速度回弹,这股强大的力量最终带着主线圈一起“同归于尽”,并将实验室的铁门也炸坏了,留下了自己来过的痕迹。   至于追求超强磁场的理由,嶽山正二郎教授解释说,“当磁场强度超过 1000 特斯拉时,你就会发现更有趣的可能性。你可以在电子不常在的材料环境中观察它们的运动,探索新的电子设备种类,比如纳米级别的电子设备。”   这项研究还有助于核聚变发电技术的研发,因为稳定核聚变所需的托卡马克装置需要数千特斯拉的强磁场,并且维持数微秒的时长。   如果研究团队可以进一步提高磁场强度和可控性,那么我们或许离可控的核聚变发电技术又近了一步。   目前,研究团队正在追求更高的强度记录。“我们需要调整一下磁场生成器,然后重建一个铁柜(实验室)。相比这次的 3.2 兆焦耳,下次我们要充入 5 兆焦耳的能量,应该可以达到 1500 特斯拉的强度,”嶽山正二郎教授如是说。   而参考嶽山教授这一次的经验的话,下一次磁场的最终强度有可能远超 1500 特斯拉。因此,面对这种积极进取的科研精神,我们除了希望新纪录可以早日出现以外,也祝愿嶽山团队的新实验室能够准备一个更坚固的门。