强磁场实验装置（稳态）
强磁场实验装置（稳态）
科学意义
磁现象是物质的基本现象之一。磁场可以改变和检验组成物质的原子和分子的电子态能量和磁矩，因而导致形形色色的现象和相关实验技术的产生。我们知道，物质内的相互作用随着能量尺度的提高，会体现出越来越丰富的效应。强磁场作为一种极端实验条件，它的建立为更高能量尺度的科学研究提供了一种途径。在这种极端实验条件下，将会揭示出许多常规条件不能发现的规律，这为物理、化学、材料和生物等多学科的研究开辟了新的空间，例如：
发现新现象。强磁场能够有效地诱导自旋、轨道有序，并改变电子能态和原子、分子间的相互作用，使之出现全新的物质状态，呈现多种多样新的物理、化学现象和效应。如磁场诱导的电子结晶点阵即Wigner固体，磁场诱导的绝缘体一金属转变和超导电性。最典型的例子，就是在强磁场条件下发现的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应, 这两种新现象的发现者分获1985年和1998年的诺贝尔物理学奖。
认识新现象。强磁场可以抑制一些因素，突显一些效应，从而使原来很复杂、甚至混乱的过程变得较为简单，易于直接了解其物理实质。最典型的例子，如对高温超导体正常态反常行为的认识。铜氧化物高温超导体在Tc以上温区的面内电阻的线性行为及其与面外电阻的半导体行为的共存常常被作为非费米液体的证据。这两种相反的电阻温度关系是否可以扩展到远离Tc的低温区，并作为一种正常态基态性质是一个不清楚的问题。一个最直接的方法是用磁场来抑制其超导电性进行Tc以下温区的正常态性质的研究，但该类超导体上临界场很高，因此需要强磁场的实验条件。事实上，2001年Hill等人正是通过用强磁场抑制电子型氧化物超导体(Pr，Ce) CuO (Tc =20K)的超导电性，测量了在极低温下正常态的热导和电导，给出了高温超导体正常态的非费米液体行为的一个直接证明。
探索和制备新材料。极端电磁条件下的材料研究作为一门新兴的交叉学科已引起国际的广泛重视。例如强磁场下金属凝固过程中，晶粒将发生转动，进而融合，形成类似单晶的组织，此外，对凝固过程的成核过程也产生显著的影响，起到细化晶粒的作用；在纳米材料制备领域中，纳米材料形状和性能的控制是非常关键的问题，而利用超强磁场极强的磁力作用，有可能控制液相法制备纳米材料的成核过程，它可以控制纳米颗粒朝某一优先方向生长，从而获得高度各向异性的纳米材料；10T以上的强磁场对化学反应体系的影响非常显著，可以改变化学反应的反应热、PH值、化学反应进行的方向、反应速率、活化能、熵等诸多方面。总之，强磁场己广泛地应用到材料科学和化学合成的诸多研究领域，发现了大量有重大理论价值和应用价值的强磁现象，显示出强磁场在该领域广阔的应用前景。
开发新器件和新功能元件、催化出新的重大应用技术。强磁场是研究多层或低维半导体材料中电学输运性质的强大工具，它可以更好地得到半导体的电子结构信息，在此基础上开发出新型半导体器件和功能元件。法国的格勒诺布尔（Grenoble）强磁场实验室发现的量子霍尔效应就导致了高精密度测量的长足发展，目前量子霍尔电阻已作为国际单位中的标准电阻值。此外，强磁场还可催化出新的重大应用技术，如磁体技术以及超导电性的应用。
强磁场科学研究涉及的学科十分广泛，具有众多原始创新的机遇，对科学和技术的发展具有非常重要的意义。近10年来，随着国家级强磁场实验装置的建设和相关测量技术的发展，国际上强磁场下的科学研究发展迅速。特别应该指出，在高温超导、量子临界材料、半导体和有机固体等领域，在强磁场条件下的研究中频频有重要的新发现。在美国国家强磁场实验室2008年度报告中提到，强磁场实验室职员和用户一共发表376篇文章，其中Science 2篇、Nature 4篇、Proceedings of the National Academy of Science 4篇、Nature Physics 6篇、Physical Review Letters 35篇、Analytical Chemistry 6篇、IEEE Transactions on Applied Superconductivity 17篇、Journal of the American Chemical Society 12篇等，另外还有很多讲演报告、书籍和专利。近几年，发表在重要杂志上文章的百分比一直稳定增长，其中2005年46%、2006年56%、2007年58%、2008年65%。这表明强磁场下研究工作的重要性越来越受到重视。此外它所支撑的研究领域也很广泛，表1为美国国家强磁场实验室2008年的研究领域分布情况，其中包含了生命科学、化学、磁体科学与技术以及凝聚态物理4大学科。
从研究项目数来看，美国国家强磁场实验室在2005—2007年分别受理了416、398、407个研究项目，即使在2008年由于金融危机、经费缩减的情况下，仍收到了377份研究报告。与2000—2004年共受理1 704项、年均340余项相比，有显著增加。Grenoble稳态强磁场实验室仅在2008年就完成了近100项研究报告，并报道了在量子霍尔铁磁体里的新发现，研究结果发表在2009年Phys. Rev. Lett. 上。这些数据充分说明了国际上强磁场下的研究工作的活跃程度和日益增长的需求。
装置简介
国际上将20世纪的上半叶作为强磁场发展的初期；将1960年美国在麻省理工学院建立世界上第一个高场磁体实验室作为强磁场发展的第一台阶；将20世纪末美国和日本建立新的更高场的强磁场实验室、法国的格勒诺布尔强磁场实验室和荷兰奈密根强磁场实验室的电源功率的升级改造作为强磁场发展的第二台阶。
目前国际上主要稳态强磁场实验室的最高技术参数
我国早在1964 年就计划在陕西汉中建立强磁场实验室，后因故未能实施。1992年，中科院等离子体所建成了20 T稳态强磁场实验装置，使我国成为当时世界上为数不多的拥有20T稳态强磁场装置的国家。但之后未能抓住机遇进一步发展强磁场技术和实验条件，使得我们与国际先进水平差距越来越大。
我国正在建设的强磁场实验装置（HMFF）是由中科院和教育部联合申报并获批准的“十一五”国家重大科技基础设施建设项目。根据《国家发展改革委关于强磁场实验装置国家重大科技基础设施项目建议书的批复意见（发改高技［2007］188号）》，在合肥建设稳态强磁场实验装置（SHMFF），由中科院合肥物质科学研究院承建、中国科学技术大学参与共建；在武汉建设脉冲强磁场实验装置（PHMFF），由华中科技大学承建。
SHMFF奠基仪式于2008年5月18日在合肥科学岛举行，正式开工建设，建设周期为从开工之日起5年。
SHMFF的总体目标是：建成指标参数、装置规模及综合实验技术水平国际先进的稳态强磁场重大科学基础设施，成为与美国、法国、荷兰、日本强磁场实验室相并列的世界5大稳态强磁场中心之一,为科学研究提供理想的稳态强磁场极端实验条件，最大程度地满足我国多学科前沿发展对于强磁场实验条件的需求。
SHMFF包含4 大建设内容，如上图所示：
(1)具有不同实验功能的20T-40T多个稳态强磁场实验装置，包括：①40 T级混合磁体实验装置1套,由内水冷磁体与外超导磁体组成(HM1: 40T/32mm、37T/50mm); ②不同室温孔径和磁场强度的高功率水冷磁体实验装置4 台（WM1: 33T/32mm、WM2: 25T/50mm、WM3:20T/200mm、WM4: 26T/32mm）；③用于材料加工与制备、磁共振、组合显微镜和磁成像的超导磁体装置4 台(SM1: 8－10T/100mm、SM2: 18-20T/52mm、SM3:18.8T/54mm、SM4: 9.4T/310mm）。
（2）运行上述稳态强磁场实验装置所需的4 大技术装备系统： ①高稳定度电源系统；②去离子水冷却系统；③氦低温系统；④中央控制系统。
（3）“建设满足开展多学科研究需求的科学实验测试系统：①包括输运测量、磁性测量、磁光测量、磁场与极低温组合和磁场与超高压组合条件下的测量及组合显微（SMA）测试等。
（4）基建与公共工程。
工程最新进展情况如下：
强磁场实验装置（稳态）目前处于“边建设、边运行“阶段。混合磁体 HM1,水冷磁体WM1、WM2 、WM3和超导磁体SM1的研制工作正在进行中，水冷磁体WM4、超导磁体SM4和各技术装备系统已于2012年建成；超导磁体SM2、SM3和各科学实验测试系统已于2010年先期投入试运行，两年多来运行状况良好，对用户开放并取得了一系列重要成果（其中包括2篇Nature）。
主要研究工作及对磁场的需求
伴随着强磁场技术的发展，其在各领域中发挥着越来越重要的作用。我国科学家在强磁场下的主要研究工作集中在物理学、化学、生命科学、材料科学和核磁共振技术等领域，具体的研究课题及对磁场的需求如下表所示：
我国拟开展的主要研究工作及其强磁场需求情况
发展与展望
根据国家重大战略需求和国际科学前沿发展的需求，争取早日建设完成强磁场实验装置并逐步完善，提升装置性能，逐步满足我国物理学、化学、生物学等多学科发展的要求，促进学科发展和自主创新能力的提高，扩大和完善向国内外开放、资源共享的运行体制和公平竞争，积极开展国内外合作交流，吸引和引进国内外优秀人才，培训青年人才，使他们迅速成为强磁场装置建设和运行的骨干力量。
