華南

歡迎來(lái)到極限的世界——

在這里，能實(shí)現(xiàn)94.8T的最高峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度，這是世界第三高脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。瞬間沖頂時(shí)的驚鴻一瞥，在紀(jì)錄曲線上留下永恒。

T為“特斯拉”，是表征磁場(chǎng)大小的單位。我們生活的地球，磁場(chǎng)平均只有十萬(wàn)分之五T。

在這里，磁性尺蠖軟體機(jī)器人以超過(guò)1倍身長(zhǎng)/秒的移動(dòng)速度在歡快地“跑動(dòng)”，是目前報(bào)道最快的磁性尺蠖軟體機(jī)器人。

在這里，鋁和物性相差極大金屬間的冶金結(jié)合變?yōu)榭赡?，在?qiáng)磁場(chǎng)作用下可瞬間“粘合”，成為一種新型輕質(zhì)復(fù)合材料。

這里是位于華中科技大學(xué)的國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心（簡(jiǎn)稱“強(qiáng)磁場(chǎng)中心”）。實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)項(xiàng)“極限挑戰(zhàn)”的，是幾十位70后、80后，和如今越來(lái)越多的90后科研人員、工程師隊(duì)伍，還有他們親手設(shè)計(jì)、制造，親自安裝的實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備。

“工欲善其事，必先利其器”，在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)磁場(chǎng)與極低溫、超高壓一起，被列為最重要的極端條件，要產(chǎn)生更高強(qiáng)度的強(qiáng)磁場(chǎng)，就必須依靠一個(gè)“利器”——脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。上世紀(jì)80年代后期，隨著高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，科研人員急需更高強(qiáng)度的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域前沿科學(xué)研究，而此時(shí)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已建有30多個(gè)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。相比之下，由于我國(guó)長(zhǎng)期缺乏此類裝置，科研人員做實(shí)驗(yàn)要向國(guó)外實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)，眾多急需開(kāi)展的科學(xué)研究嚴(yán)重受制于人。

為了建設(shè)我國(guó)自己的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，14年前，武漢東湖畔，一支平均年齡不到35歲的青年科技隊(duì)伍站了出來(lái)。

開(kāi)工11個(gè)月完成基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，三年開(kāi)放實(shí)驗(yàn)裝置，四年完成脈沖強(qiáng)度從60T到90T的跨越……14年間，從七八人的小團(tuán)隊(duì)到八九十人的大集體，從一無(wú)所有到世界領(lǐng)先，不斷迭代的青年科研工作者突破一個(gè)又一個(gè)“卡脖子”難題，長(zhǎng)期戰(zhàn)斗在脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域最前沿。

他們?cè)O(shè)計(jì)、搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，在完成強(qiáng)磁場(chǎng)中心科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)之外，完全面向全世界開(kāi)放，供世界各地前來(lái)做實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)使用。自2014年通過(guò)驗(yàn)收、正式開(kāi)放，至2020年底，強(qiáng)磁場(chǎng)中心近7年間累計(jì)開(kāi)放運(yùn)行時(shí)常超過(guò)55400小時(shí)，世界上20多個(gè)國(guó)家的科研人員前來(lái)進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外97家高校和科研院所的1258項(xiàng)科學(xué)研究在此完成，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件從“受制于人”到“授之與人”的跨越。

強(qiáng)磁場(chǎng)中心是一個(gè)獲得過(guò)諸多榮譽(yù)的集體，2018年獲湖北省科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、2019年獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。今年5月，在得知獲得第25屆中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)录w時(shí)，大家格外高興，“這是屬于青年的榮譽(yù)，我們是一個(gè)年輕、團(tuán)結(jié)的集體”。

從無(wú)到有創(chuàng)建中國(guó)唯一脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中心

二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著凝聚態(tài)物理、材料化學(xué)和生命科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展，強(qiáng)磁場(chǎng)裝置地位越發(fā)重要。2001年，中國(guó)工程院院士、華中科技大學(xué)教授潘垣敏銳意識(shí)到，我國(guó)要想在相關(guān)科學(xué)研究領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際前列，就必須建設(shè)世界一流水平的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置。各方幾經(jīng)努力，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)提上日程。

從2004年7月開(kāi)始，彭濤、丁洪發(fā)、夏正才、陳晉、韓小濤等一批華中科技大學(xué)的熱血青年陸續(xù)加入到脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的籌備當(dāng)中，動(dòng)筆起草項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)。

然而，要起草厚厚一本申請(qǐng)書(shū)，對(duì)于這群缺少經(jīng)驗(yàn)的年輕人而言，實(shí)在是挑戰(zhàn)巨大。“只能找來(lái)其他項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)，反復(fù)琢磨著寫(xiě)，一字一句反復(fù)修改。”他們回憶道。大家早已記不清熬了多少個(gè)夜晚，經(jīng)歷了多少次的討論修改，唯一記得的是，即使困難重重，他們從不抱怨，也從沒(méi)想過(guò)放棄。

經(jīng)過(guò)大家的共同努力，2007年1月，華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置項(xiàng)目正式獲批立項(xiàng)。由一所大學(xué)承建國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，這在教育部高校中還是第一次。

在這些年輕人忙著寫(xiě)立項(xiàng)申請(qǐng)書(shū)的時(shí)候，華中科技大學(xué)校友李亮回到闊別二十余年的母校，建設(shè)屬于中國(guó)的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。

回國(guó)后，李亮和這群年輕人一起，從“繞線圈”做磁體開(kāi)始，從零開(kāi)始全身心投入裝置建設(shè)。當(dāng)年剛剛讀博士研究生的呂以亮，在跟隨老師們學(xué)習(xí)的過(guò)程中，他不僅參與繞制了很多線圈，還在老師們身上看到了一種不畏艱辛、攻堅(jiān)克難的科研精神。博士畢業(yè)時(shí)，呂以亮有很多選擇，但他放棄了企業(yè)的高薪工作，最終選擇加入強(qiáng)磁場(chǎng)中心?；叵氘?dāng)初的選擇，呂以亮說(shuō)：“我不后悔自己的選擇，也非常榮幸能夠成為團(tuán)隊(duì)一員，能夠在強(qiáng)磁場(chǎng)中心為國(guó)家貢獻(xiàn)自己的一份力量，是一件非常有意義的事。”

當(dāng)時(shí)強(qiáng)磁場(chǎng)中心大樓尚未破土，辦公條件非常艱苦，七八個(gè)老師、學(xué)生擠在兩間簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室里，尤其是未安裝空調(diào)之前，武漢漫長(zhǎng)溽熱的盛夏里，支撐他們的只有一紙項(xiàng)目規(guī)劃和心中的夢(mèng)想。

“2008年4月25日，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置破土動(dòng)工。”不論過(guò)去多少年，團(tuán)隊(duì)每個(gè)人說(shuō)起這個(gè)日子都是脫口而出。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置就像他們親手養(yǎng)大的孩子，每個(gè)人都為此付出了大量的心血和精力。

開(kāi)工11個(gè)月后，中心的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)系統(tǒng)就已研制完成，當(dāng)年磁場(chǎng)強(qiáng)度能達(dá)到75T。也是這一年，韓一波在武漢大學(xué)光學(xué)專業(yè)獲理學(xué)博士學(xué)位后，來(lái)到強(qiáng)磁場(chǎng)中心?！半m然最初的規(guī)模很小，只有幾個(gè)年輕老師，以及一個(gè)只能放電的電容器，但它吸引我的是，這是中國(guó)自主建設(shè)的第一個(gè)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，給了我一個(gè)方向、有一個(gè)希望，這就足夠”。

希望如炬，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置吸引一個(gè)又一個(gè)青年工程師、科研人員，既有華中科技大學(xué)成長(zhǎng)起來(lái)的“土著”，也有來(lái)自國(guó)際知名科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的海歸學(xué)子，他們從四面八方匯聚于此，共同朝著明亮的未來(lái)疾走。

2010年，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如期竣工，這是首個(gè)由教育部高校承建并按時(shí)通過(guò)驗(yàn)收對(duì)外開(kāi)放的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，填補(bǔ)了我國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的空白，為今后我國(guó)凝聚態(tài)物理、材料、化學(xué)、生命等前沿基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展提供了平臺(tái)支撐。

以85%國(guó)產(chǎn)核心部件，解決“卡脖子”問(wèn)題

今年五一假期后第一個(gè)工作日，近1.5米高、近1米直徑的液氦制冷機(jī)連著氦氣回收裝置轟隆隆地響著，近百平方米的實(shí)驗(yàn)室里被數(shù)個(gè)這樣的裝置和粗粗細(xì)細(xì)、縱橫交織的管子、氣囊塞滿。一位科研人員在轟鳴聲中守著電腦儀器，記錄測(cè)算。

常溫氦氣在裝置中浸泡冷卻，溫度降至4K，也就是零下269.15℃，成為低溫液氦。作為開(kāi)展脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)下電/磁輸運(yùn)、整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)和自旋電子學(xué)等前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要條件，液氦溫區(qū)在脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室必不可少。通過(guò)管道，這些液氦被分配到各個(gè)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)后，它們?cè)偕郎剡€原為氦氣，通過(guò)管道被回收至氣囊，經(jīng)過(guò)處理后循環(huán)利用?！拔覈?guó)氦資源匱乏，依賴進(jìn)口，實(shí)驗(yàn)用完的氦氣必須回收，再利用。這個(gè)循環(huán)裝置是我們自己設(shè)計(jì)、建造的。”強(qiáng)磁場(chǎng)中心工程師劉夢(mèng)宇說(shuō)。

沿著走廊再走不遠(yuǎn)，是韓一波團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、搭建的磁光實(shí)驗(yàn)站。與初期只有一臺(tái)能放電的電源相比，現(xiàn)在的磁光實(shí)驗(yàn)站由三部分組成，已頗具規(guī)模。“這個(gè)房間專門放激光器、探測(cè)器、光譜儀，隔壁房間是磁體，第三個(gè)房間做光學(xué)實(shí)驗(yàn)?！表n一波介紹著，一臉滿足和自豪的笑意。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)裝置有潔凈要求，非實(shí)驗(yàn)人員不能隨意出入。韓一波隔著實(shí)驗(yàn)室窗戶介紹著，“很多基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)裝置搭建，在強(qiáng)磁場(chǎng)中心都由科學(xué)家來(lái)做。我們?cè)O(shè)計(jì)得非常非常細(xì)，一點(diǎn)點(diǎn)試著搭建完成，再調(diào)試到最好效果。這些幾百公斤重的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，都是我們自己抬進(jìn)去安裝好的”。從一間空屋子到一個(gè)裝備完善的實(shí)驗(yàn)室，韓一波和工程師們花了四個(gè)多月。

這是強(qiáng)磁場(chǎng)中心的日常一天。在強(qiáng)磁場(chǎng)中心，實(shí)驗(yàn)裝置每一塊電路板的設(shè)計(jì)圖、每一個(gè)零件都由科研工作者們自己繪制和安裝調(diào)試。

核心材料和技術(shù)，從來(lái)都是“卡脖子”的。強(qiáng)磁場(chǎng)中心團(tuán)隊(duì)從沒(méi)指望等、靠、要、買，他們自己設(shè)計(jì)器材，自己制造設(shè)備，自己搭建實(shí)驗(yàn)室，85%以上的材料、部件都是國(guó)產(chǎn)。

磁體被視為強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的心臟。做磁體，是用小指頭粗細(xì)的導(dǎo)線，繞成線圈，“接上2.5萬(wàn)伏電壓，流過(guò)4萬(wàn)安培瞬間電流，就可以產(chǎn)生幾十T脈沖磁場(chǎng)。但通電線圈會(huì)被磁體內(nèi)部應(yīng)力拉長(zhǎng)和壓扁”。李亮說(shuō)，磁體線圈承受的應(yīng)力，是“蛟龍”號(hào)在7000米海底承受壓強(qiáng)的50倍。

磁體質(zhì)量一定程度上決定強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成敗。而且磁體繞制沒(méi)有“回頭路”，只能一次成功?！白龃朋w是手工繞線，繞線的方向、角度都會(huì)影響磁體質(zhì)量。國(guó)外實(shí)驗(yàn)室都是工人繞線圈，我們是科研人員自己動(dòng)手。”呂以亮說(shuō)。

繞制線圈需要用到環(huán)氧樹(shù)脂，因其有強(qiáng)烈氣味且有一定毒性，科研人員需要穿上密不透風(fēng)的防護(hù)服和防毒面具?！盀榱斯?jié)省穿脫時(shí)間，我們?cè)缟线M(jìn)入工作間后，一上午就不出來(lái)，連水都不喝一口?！毕募荆俏錆h氣溫接近40℃，穿上防護(hù)服后更是熱得像蒸籠，最初車間里沒(méi)有空調(diào)，后來(lái)即便在工作臺(tái)旁邊安裝了立式空調(diào)，也效果甚微，“每次脫下防護(hù)服后仍舊渾身濕透，像剛從水里撈出來(lái)”，呂以亮說(shuō)。

在青年科研團(tuán)隊(duì)的努力下，我國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的理論分析和研制水平迅速躍居世界前列?！袄盍林魅魏徒淌趥兲岢雒}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(wèn)題，大大提高了磁體的性能和壽命，降低了成本。”呂以亮說(shuō)。

強(qiáng)磁場(chǎng)中心走廊盡頭的大車間里，立著兩臺(tái)繞線機(jī)，其中早已銹跡斑斑的那臺(tái)，“是中心科研人員自己設(shè)計(jì)、制造，已經(jīng)用了14年，現(xiàn)在還很好用”。呂以亮早已記不清多少個(gè)工作日站在這里繞線圈。

2007年至今，彭濤一直負(fù)責(zé)手工纏繞磁體。從線圈的紋路和顏色，有經(jīng)驗(yàn)的人能從中看出瑕疵。瑕疵讓線圈更早崩潰。“如果浸泡樹(shù)脂不夠充分，反光不同。”彭濤說(shuō)，他常?！白鰤?mèng)都在繞磁體”，生怕出一點(diǎn)差錯(cuò)。目前強(qiáng)磁場(chǎng)中心常規(guī)使用的65T脈沖磁體平均壽命超過(guò)800次，遠(yuǎn)超國(guó)際同行350次至500次的水平。

科研經(jīng)費(fèi)有限、導(dǎo)體材料不是世界最好，怎樣把強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室搭建好，強(qiáng)磁場(chǎng)中心團(tuán)隊(duì)費(fèi)盡心思。不同科學(xué)研究需要不同的磁場(chǎng)波形，為了提高裝置運(yùn)行效率，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)人韓小濤教授把整個(gè)裝置設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，由一套中央控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制多類電源、多個(gè)實(shí)驗(yàn)站。“這可以實(shí)現(xiàn)在同一科學(xué)實(shí)驗(yàn)站的同一磁體上產(chǎn)生多種磁場(chǎng)波形，大幅提升我國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)效率?！?/p>

在裝置建設(shè)過(guò)程中，團(tuán)結(jié)奮進(jìn)非常重要。“我們擁有一個(gè)團(tuán)結(jié)的集體。我和韓小濤、彭濤、丁洪發(fā)幾位教授，從創(chuàng)始期就在一起，雖然各有分工，但始終團(tuán)結(jié)一致。這個(gè)過(guò)程中遇到太多困難，有的甚至當(dāng)時(shí)看上去難以逾越，但我們從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)‘不字。困難面前，我們敢于站出來(lái)，去克服、去突破，最后我們成功了?！崩盍琳f(shuō)。

強(qiáng)磁場(chǎng)中心中控大廳，大小不一的八塊顯示屏鑲嵌在墻體里，每塊負(fù)責(zé)記錄不同類型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。韓一波說(shuō)，“脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)是瞬間消失的磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)要在一瞬間把需要的信號(hào)采集好，特別困難，這個(gè)難度跟常規(guī)實(shí)驗(yàn)難度不一樣”。

脈沖磁體的設(shè)計(jì)需要結(jié)合電、磁、熱、力等多物理量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合優(yōu)化，李亮、彭濤等人開(kāi)發(fā)了脈沖磁體專用設(shè)計(jì)平臺(tái)PMDS。法國(guó)圖盧茲國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室?jiàn)W列克西·德拉琴科博士曾在一次接受采訪時(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，還可簡(jiǎn)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(chǎng)、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(gòu)?！拔艺J(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(jī)?！?/p>

目前，中國(guó)自主研發(fā)的脈沖磁體設(shè)計(jì)平臺(tái)PMDS已被歐盟第六框架項(xiàng)目“下一代脈沖磁場(chǎng)用戶設(shè)施的設(shè)計(jì)研究”采納為磁體設(shè)計(jì)工具，為德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、荷蘭等多個(gè)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室共同開(kāi)展下一代脈沖磁體研究提供支撐。

十余年來(lái)，強(qiáng)磁場(chǎng)中心團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，最終建成國(guó)際領(lǐng)先的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置：建有12個(gè)三種類型的系列脈沖磁體，最高場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到94.8T，位居世界第三、亞洲第一；電容儲(chǔ)能型、脈沖發(fā)電機(jī)型、蓄電池型三種電源，電源種類最為齊全，整個(gè)電源系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)投入僅為美國(guó)同類設(shè)備的十分之一；電輸運(yùn)、磁特性、磁光特性、電子自旋共振等8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，部分測(cè)量精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種電源、多級(jí)磁體和多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)站的協(xié)同工作及精確時(shí)序控制，達(dá)到國(guó)際同類裝置的領(lǐng)先水平；低溫系統(tǒng)的液氦回收裝置，每年回收的氦氣相當(dāng)于節(jié)約五、六百萬(wàn)元實(shí)驗(yàn)消耗。

現(xiàn)在，華中科技大學(xué)強(qiáng)磁場(chǎng)中心是國(guó)內(nèi)唯一的大型脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科研基礎(chǔ)條件平臺(tái)，并已成為世界四大脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心之一。

依靠自身力量，強(qiáng)磁場(chǎng)中心實(shí)現(xiàn)了從跟跑到超越的快速發(fā)展，卻從未固步自封，“開(kāi)放平臺(tái)，世界共享”是強(qiáng)磁場(chǎng)中心成立之初定下的理念，也是科研人員的共識(shí)。

“我們的裝置已為97家科研單位提供了1258項(xiàng)科學(xué)研究服務(wù)，裝置開(kāi)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)。”在完成裝置的建設(shè)任務(wù)后，韓小濤等人又開(kāi)始積極推動(dòng)裝置的開(kāi)放運(yùn)行。

“很多科學(xué)家為了搭建實(shí)驗(yàn)裝置，犧牲了自己的科研時(shí)間，前幾年都沒(méi)有出成果。但這個(gè)裝置搭建完畢，自己試驗(yàn)完成后，會(huì)免費(fèi)向全世界開(kāi)放?！眳我粤琳f(shuō)。

“看到其他科研機(jī)構(gòu)能夠在我們搭建的裝置里完成實(shí)驗(yàn)，得到高質(zhì)量的結(jié)果，我特別高興。”因?yàn)槊τ趯?shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、建設(shè)，韓一波前幾年科研成果很少，他坦言那段時(shí)間會(huì)焦慮，但信念從未動(dòng)搖，開(kāi)放的心態(tài)也從未改變。

三次“沖頂”，躋身國(guó)際一級(jí)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室行列

二十世紀(jì)初，世界迎來(lái)它的“磁場(chǎng)時(shí)代”。自1913年以來(lái)，包括量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、磁共振成像和第二類超導(dǎo)體等與磁場(chǎng)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)有19項(xiàng)。

極高強(qiáng)度的脈沖磁場(chǎng)為研究者提供了前所未有的工具，可以用來(lái)研究一系列科學(xué)難題：從極高磁場(chǎng)下的物質(zhì)的行為到固體的量子相變等。

科學(xué)家對(duì)極低溫度和極高磁場(chǎng)的探索，將有助于人們理解超導(dǎo)、磁場(chǎng)誘導(dǎo)的相變以及所謂的量子臨界點(diǎn)——在極低溫度下物質(zhì)性質(zhì)的微小變化就能對(duì)其物理行為有顯著的影響。

磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，對(duì)于物質(zhì)系統(tǒng)的電子能態(tài)改變就越大，就能給科學(xué)創(chuàng)新提供更多機(jī)遇。

當(dāng)中國(guó)有了自己的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，也加入極限創(chuàng)新挑戰(zhàn)的隊(duì)伍。

2011年11月8日凌晨，華中科技大學(xué)東校區(qū)一角，強(qiáng)磁場(chǎng)中心燈火輝煌，團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行一次重要的實(shí)驗(yàn)。5點(diǎn)28分，中心自行研制的國(guó)內(nèi)首個(gè)雙線圈脈沖磁體成功實(shí)現(xiàn)83T的磁場(chǎng)強(qiáng)度——這不僅刷新我國(guó)脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度紀(jì)錄，也使我國(guó)非破壞性磁場(chǎng)強(qiáng)度水平一下子躍居亞洲第一、世界第三。

“83T！”短暫的驚喜過(guò)后，團(tuán)隊(duì)有了更多向新強(qiáng)度進(jìn)軍的底氣。

2013年10月，20余位世界強(qiáng)磁場(chǎng)頂級(jí)專家齊聚武漢東湖畔，他們將親自見(jiàn)證中國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置“首秀”?！澳弥?dāng)天會(huì)議日程表，有的專家好心跑來(lái)勸我們，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，萬(wàn)一失敗怎么辦？”當(dāng)時(shí)在會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)的施江濤、呂以亮，不約而同回憶起這個(gè)細(xì)節(jié)。

因?yàn)楫a(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)的強(qiáng)大電流和電磁應(yīng)力，隨時(shí)會(huì)“爆表”。在現(xiàn)場(chǎng)，這些全球主要強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人和國(guó)際強(qiáng)磁場(chǎng)權(quán)威專家不敢相信，中國(guó)人要公開(kāi)進(jìn)行脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)演示，在此之前，國(guó)際上沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室敢公開(kāi)進(jìn)行高參數(shù)實(shí)驗(yàn)演示。

強(qiáng)磁場(chǎng)中心一個(gè)控制中心、八個(gè)實(shí)驗(yàn)站，整整一天實(shí)驗(yàn)，外國(guó)專家們閉門討論3個(gè)小時(shí)。最終，國(guó)際同行評(píng)價(jià)：“這里的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置已經(jīng)躋身于世界上最好的脈沖場(chǎng)之列。”

“中國(guó)的磁體和電源技術(shù)世界頂級(jí)；控制系統(tǒng)國(guó)際領(lǐng)先。雖然最高磁場(chǎng)紀(jì)錄不及美國(guó)，但中國(guó)裝置優(yōu)勢(shì)明顯——一套中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三類電源和八個(gè)實(shí)驗(yàn)站的靈活組合?！边@是國(guó)際權(quán)威報(bào)告對(duì)中國(guó)裝置的認(rèn)證。

也是同一年，以彭濤、丁洪發(fā)、韓小濤等幾位教授為首的磁體、電源及控制團(tuán)隊(duì)再創(chuàng)佳績(jī)，讓我國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)一舉邁入90T級(jí)磁場(chǎng)的水平。為了實(shí)現(xiàn)90T以上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用了20年，德國(guó)德累斯頓強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室用了10年，而在中國(guó)僅用不到5年時(shí)間。

2018年11月22日，我國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)走在了世界最前列。這一天，強(qiáng)磁場(chǎng)中心團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)64T脈沖平頂磁場(chǎng)，超過(guò)此前美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的60T脈沖平頂磁場(chǎng)強(qiáng)度世界紀(jì)錄，成為全球最高強(qiáng)度的脈沖平頂磁場(chǎng)。

脈沖平頂磁場(chǎng)兼具穩(wěn)態(tài)和脈沖兩種磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的強(qiáng)度且在一段時(shí)間保持很高的穩(wěn)定度，通俗理解就是脈沖磁場(chǎng)達(dá)到峰值時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間。峰值越高、峰頂運(yùn)行越平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)質(zhì)量越高。

“高強(qiáng)度和高穩(wěn)定度，是考驗(yàn)脈沖平頂磁場(chǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。”呂以亮介紹。但同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)并不容易，“需要解決磁場(chǎng)產(chǎn)生過(guò)程中的大電流精確調(diào)控和強(qiáng)電磁力下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的難題，目前國(guó)外主要采用的大電源、大磁體的方案。世界上最大的電源體積有二層樓那么高，體積龐大、花費(fèi)驚人，還存在著磁體冷卻速度慢和實(shí)驗(yàn)效率低等問(wèn)題”。

沒(méi)有世界上最大的電源，要如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的磁場(chǎng)？用技術(shù)。為了滿足科學(xué)研究需求，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)需要具備磁場(chǎng)強(qiáng)度高、平頂穩(wěn)定度高和重復(fù)頻率高等特點(diǎn)。國(guó)際上其他脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室都是通過(guò)研制不同磁體分別實(shí)現(xiàn)這三類磁場(chǎng)，而武漢強(qiáng)磁場(chǎng)中心基于強(qiáng)磁場(chǎng)核心技術(shù)的全面掌握，通過(guò)電源與磁體的協(xié)同控制，可以讓同一個(gè)實(shí)驗(yàn)站的同一個(gè)磁體產(chǎn)生高強(qiáng)度、高穩(wěn)定度和高重頻的脈沖磁場(chǎng)，為相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究提供獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)條件?！按舜螌?shí)現(xiàn)64T平頂磁場(chǎng)的磁體還產(chǎn)生了45T/50赫茲的超高重頻磁場(chǎng)，將國(guó)際同類磁場(chǎng)重復(fù)頻率提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且波形和頻率都能很方便地調(diào)節(jié)，這也是我們技術(shù)領(lǐng)先的重要體現(xiàn)?！眳我粤琳f(shuō)。

“我們還提出雙電容器耦合態(tài)調(diào)控新方案，首次實(shí)現(xiàn)電容器驅(qū)動(dòng)的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)波形調(diào)控”，呂以亮解釋，“就等于削峰填谷”。

在測(cè)試64T平頂磁場(chǎng)的同時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)中心同步開(kāi)展重費(fèi)米子材料CeRhIn5的比熱測(cè)量，過(guò)去只能在穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)下開(kāi)展的核磁共振、比熱、拉曼光譜等研究工作在更高場(chǎng)強(qiáng)下成為可能。

不僅如此，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室做平頂脈沖磁場(chǎng)，一年只能使用50-60次。而在強(qiáng)磁場(chǎng)中心，由于改進(jìn)了電源和控制系統(tǒng)，做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)像用微波爐一樣簡(jiǎn)單，并且實(shí)驗(yàn)使用的磁體重量、電源能量均不到國(guó)際同類型磁場(chǎng)系統(tǒng)的1/10。此前有國(guó)際專家說(shuō)，這是花1.2億元人民幣，干出1.2億美元的活兒。

廣納青年人才，擔(dān)當(dāng)科技創(chuàng)新扛鼎之力

依托脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，強(qiáng)磁場(chǎng)中心堅(jiān)持面向國(guó)家重大需求，不斷發(fā)展脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)新技術(shù)及其應(yīng)用，挑戰(zhàn)電磁極限、拓展強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用，并秉承“培養(yǎng)更高學(xué)術(shù)水平、更強(qiáng)創(chuàng)新能力的大科學(xué)裝置科技人才”的目標(biāo)，注重青年學(xué)術(shù)骨干的培養(yǎng)和梯隊(duì)建設(shè)。

在強(qiáng)磁場(chǎng)中心不起眼的一角，一塊直徑1.38米的鋁合金板件剛剛整體成形。這是強(qiáng)磁場(chǎng)中心與相關(guān)部門合作，首次使用多時(shí)空脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形制造技術(shù)做出來(lái)的航天器無(wú)焊縫底殼部件。

近年來(lái)，針對(duì)國(guó)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，強(qiáng)磁場(chǎng)中心首創(chuàng)多時(shí)空脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)成形制造技術(shù)，已形成曹全梁、諶祺和賴智鵬等青年老師組成的電磁成形研究團(tuán)隊(duì)，在成形裝備研制、大型殼體件整體成形和異質(zhì)金屬“焊接”技術(shù)等方面已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

在永磁高速電機(jī)、永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、永磁NMR等大型永磁設(shè)備充磁需求的牽引下，李亮教授提出了組裝后整體充磁的創(chuàng)新型工藝方法，成為呂以亮團(tuán)隊(duì)近年攻關(guān)的方向。“一些工業(yè)用磁體體積龐大，傳統(tǒng)制造工藝采用已充磁的磁鋼塊，人工拼裝組成大的磁極。由于磁鋼塊間同性相斥，排斥力巨大，拼裝很難，工藝復(fù)雜，操作危險(xiǎn)，生產(chǎn)效率低。整體充磁，則完全避免這一問(wèn)題?！眳我粤琳f(shuō)。

目前整體充磁團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家合作，首次實(shí)現(xiàn)了2.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的整體充磁，充磁后的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)了型式試驗(yàn)，所有測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求，這是我國(guó)大型永磁電機(jī)整體充磁技術(shù)的重大突破，相關(guān)技術(shù)及裝備研制水平位居世界前列。呂以亮說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)的成功，打破了美、德等國(guó)的技術(shù)封鎖，將廣泛應(yīng)用于永磁電機(jī)等各類大型永磁設(shè)備，市場(chǎng)前景廣闊。”

在戰(zhàn)略性前沿技術(shù)布局方面，強(qiáng)磁場(chǎng)中心已將太赫茲回旋管技術(shù)列入發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)方向，形成了以潘垣院士為顧問(wèn)，韓小濤為負(fù)責(zé)人，肖后秀、謝劍峰等為骨干的20余人研究梯隊(duì)?！敖?jīng)過(guò)三年的探索實(shí)踐，我們自主開(kāi)發(fā)太赫茲回旋設(shè)計(jì)平臺(tái)GYROCOMPU，發(fā)展了基于平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的太赫茲回旋管技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)頻率230-803GHz、最大功率20W的太赫茲波輸出?！鼻嗄杲處熜ず笮阕院赖卣f(shuō)，對(duì)于后續(xù)的研究和應(yīng)用，他亦充滿信心。

同時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)中心秉持廣納英才、兼容并包，吸引越來(lái)越多跨學(xué)科青年科學(xué)家落戶于此，開(kāi)展多元化、跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)，學(xué)科交叉、學(xué)術(shù)互補(bǔ)，讓這塊坐落于中部地區(qū)的科研基地不斷“破圈”地域限制和學(xué)科邊界，產(chǎn)生令人驚訝的“強(qiáng)磁場(chǎng)效應(yīng)”。

大家普遍感受是強(qiáng)磁場(chǎng)中心越來(lái)越“擠了”。原來(lái)空蕩蕩的四層研究辦公室，現(xiàn)在已經(jīng)滿滿當(dāng)當(dāng)。

2016年9月從美國(guó)斯坦福大學(xué)引進(jìn)、入職強(qiáng)磁場(chǎng)中心的徐剛，主要從事新奇物性和材料的探索與研究，兼具凝聚態(tài)中的基礎(chǔ)物理研究和實(shí)際材料應(yīng)用。作為一名計(jì)算物理學(xué)家，徐剛的主要工作是在計(jì)算機(jī)上預(yù)測(cè)物理現(xiàn)象或理論，并不需要強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，但他仍舊選擇強(qiáng)磁場(chǎng)中心，潛心科研?！拔翌A(yù)測(cè)的理論，可以在強(qiáng)磁場(chǎng)中心由實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家進(jìn)行驗(yàn)證”，五年來(lái)，徐剛看著一批計(jì)算物理學(xué)家匯聚于此，這個(gè)年輕的強(qiáng)磁場(chǎng)中心“科研學(xué)術(shù)生態(tài)環(huán)境越來(lái)越生機(jī)勃勃”。

相比于辦公室，2015年從美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)學(xué)成歸來(lái)的于海濱更喜歡待在自己設(shè)計(jì)、組建的實(shí)驗(yàn)室里。與學(xué)生交流、看看實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、讀讀論文，往往不經(jīng)意間就到了深夜?！皬?qiáng)磁場(chǎng)中心給我提供了很好的科研條件，讓我能夠?qū)Ｐ奶剿鳂O端條件下非晶態(tài)材料?！?/p>

今年初剛從美國(guó)洛斯阿拉莫斯脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室獲榮譽(yù)博士后的李靖，已于春節(jié)后正式入職強(qiáng)磁場(chǎng)中心，擔(dān)任教授、博士生導(dǎo)師。李靖長(zhǎng)期從事低維量子材料和器件在極端條件下的電輸運(yùn)性質(zhì)以及脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)條件下光-電-物質(zhì)相互作用方面的研究，坐在喻家山腳的新辦公室里，他正在制定未來(lái)方向與藍(lán)圖。

從考上博士研究生進(jìn)入強(qiáng)磁場(chǎng)中心，到畢業(yè)留校至今，劉詩(shī)宇已在這里學(xué)習(xí)、工作了7年?！懊刻焱砩希@里直到深夜都燈火通明。只要是中心開(kāi)放的時(shí)段，這里隨時(shí)有人在工作。大家都想做出點(diǎn)實(shí)際成績(jī)?！?劉詩(shī)宇幾乎每天在辦公室待到夜里十一點(diǎn)半，才心滿意足地回到宿舍。如果趕上實(shí)驗(yàn)，他就睡在辦公室里?！澳莻€(gè)角落是一張行軍床”，他隨手一指。他不覺(jué)得這有什么了不起，“實(shí)驗(yàn)不能中斷，需要按時(shí)記錄數(shù)據(jù)，大家都是這樣”。

“以前，我們做實(shí)驗(yàn)只能去國(guó)外；現(xiàn)在，我們?cè)诩议T口就能完成實(shí)驗(yàn)。”這讓他很自豪。七年間，劉詩(shī)宇早已被前輩、師長(zhǎng)們腳踏實(shí)地搞科研的精神所感染，并身體力行，“求真務(wù)實(shí)”在他看來(lái)不是一個(gè)虛詞。

14年來(lái)，負(fù)責(zé)強(qiáng)磁場(chǎng)中心安全工作的施江濤，一直堅(jiān)持每個(gè)工作日最早到崗。這個(gè)2002年放棄產(chǎn)品研發(fā)工程師高薪職位，從深圳返回武漢的華科學(xué)子，親歷脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置從無(wú)到有的全過(guò)程，并一手建立起強(qiáng)磁場(chǎng)中心各項(xiàng)安全規(guī)章制度，如今這些文件已堆成厚厚一大本。每天早上看到強(qiáng)磁場(chǎng)中心各部門都安全運(yùn)轉(zhuǎn)，是施江濤最大心愿。

現(xiàn)在，強(qiáng)磁場(chǎng)中心已有科研人員、工程師90余人，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置二期工程已列入國(guó)家十四五規(guī)劃。據(jù)悉，二期工程占地面積更大，性能更強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)家將有條件沖刺世界脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)最高峰值，開(kāi)展更多極端條件下的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。采訪中，強(qiáng)磁場(chǎng)中心的每個(gè)人，都對(duì)此心懷期待。

磁場(chǎng)范圍無(wú)窮大，電磁力的作用范圍和萬(wàn)有引力一樣，沒(méi)有界限。在無(wú)窮盡的探索中，強(qiáng)磁場(chǎng)中心的科研人員和工程師們正齊心協(xié)力朝著更高的山峰攀登，他們以追求科學(xué)的赤子之心，突破世俗藩籬、打破學(xué)科界限，站在一個(gè)更寬廣、更高遠(yuǎn)、更通透、更清純、更執(zhí)著、更深沉的高地，觀察、認(rèn)知外部世界，審視、規(guī)范自身行為，探索未知、造福他人，為更崇高的目標(biāo)，奉獻(xiàn)自己的力量。