В Китае создали магнит в 700 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли

Китай объявил о новом мировом рекорде в области высоких магнитных полей с полностью сверхпроводящим магнитом, который достигает 35,6 тесла, что более чем в 700 000 раз сильнее магнитного поля Земли у поверхности. Система, созданная Китайской академией наук, спроектирована как инструмент общего пользования, чтобы исследовательские группы могли изучать материю в условиях, близких к тем, что встречаются в глубоком космосе или внутри планет-гигантов.

В отличие от многих рекордных магнитов, которые могут работать только короткими импульсами, этот прибор рассчитан на удержание максимального поля более 200 часов при относительно низком потреблении энергии, пишет Econews. Это сочетание силы, стабильности и эффективности может изменить то, как ученые исследуют квантовые материалы, перспективные сверхпроводники и даже биологические молекулы.

Что делает этот магнит таким экстремальным

Сила магнитного поля измеряется в теслах. Поле Земли у поверхности составляет всего несколько десятков микротесла, что является крошечной долей одной теслы, поэтому магнит мощностью 35,6 тесла действительно находится в другой лиге.

Официальные отчеты описывают новую систему как устройство, которое более чем в 700 000 раз сильнее естественного поля нашей планеты, что соответствует законам базовой физики.

Для масштаба: типичный больничный МРТ-сканер работает при мощности от 1,5 до 3 тесла. Это уже требует огромных катушек, тщательного экранирования и предупреждений о безопасности, которые звучат пугающе в зале ожидания. Новый китайский магнит работает в поле, которое примерно в десять раз мощнее этих медицинских аппаратов.

Рекордный магнит имеет полезное отверстие (апертуру) диаметром 35 миллиметров, достаточно широкое, чтобы поместить внутрь кристаллы, небольшие устройства или крошечные биологические образцы. Исследователи могут помещать свои образцы прямо в центр самой сильной части поля, что необходимо для получения чистых и точных измерений вместо зашумленных данных.

Эта простая деталь делает систему гораздо более практичной, чем просто рекордное число на бумаге.

Общая сверхпроводящая система с низким энергопотреблением

Магнит описан как полностью сверхпроводящий, что означает, что каждая катушка изготовлена из материалов, которые проводят электрический ток с нулевым сопротивлением при охлаждении до очень низких температур.

Говоря простым языком, обычный магнит с высоким полем похож на электроприбор, работающий с обогревателем на полную мощность весь день, в то время как сверхпроводящий ведет себя скорее как эффективный холодильник, который почти не влияет на счета за электричество.

В конечном счете, согласно официальным объяснениям, такая конструкция обеспечивает высокую стабильность и очень низкие эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными резистивными магнитами, потребляющими мегаватты энергии.

Внутри системы высокотемпературная сверхпроводящая вставка объединена с низкотемпературным внешним магнитом – такая конфигурация позволила инженерам поднять мощность поля выше, без риска разрушения катушек или потери ими состояния сверхпроводимости.

Исследовательская группа сохранила апертуру 35 миллиметров, увеличив поле с предыдущего результата в 30 тесла до 35,6 тесла, что является значительным скачком на таком уровне. Стабильная работа в течение более 200 часов дает ученым достаточно времени для проведения сложных многодневных экспериментов, а не быстрых снимков.

Экстремальные условия под одной крышей в Пекине

Новый магнит находится внутри Синергетического центра экстремальных условий для пользователей на окраине Пекина. Этот национальный объект объединяет сверхнизкие температуры, сверхвысокое давление, интенсивные магнитные поля и сверхбыстрые лазерные системы в одном комплексе. Он создан как открытая лаборатория, чтобы команды из Китая и из-за рубежа могли подавать заявки на время и проводить свои эксперименты.

На практике это означает, что ученый может охладить материал почти до абсолютного нуля, сжать его гигантским давлением, осветить сверхбыстрым светом и подвергнуть воздействию поля 35,6 тесла в одном месте.

Такие экстремальные комбинации трудно представить в типичной университетской лаборатории. В конечном счете, этот объект действует как своего рода физическая игровая площадка для вывода материалов далеко за пределы условий, которые мы когда-либо видим в повседневной жизни.

Зачем ученым такие мощные поля

Сильные стабильные поля позволяют исследователям отслеживать очень малые изменения в движении электронов внутри твердых тел, что крайне важно для изучения квантовых материалов и нетрадиционных сверхпроводников.

Такие методы, как ядерный магнитный резонанс, измерения удельной теплоемкости и магнитострикция, становятся намного чувствительнее по мере увеличения поля, поэтому более высокий предел означает новые сведения о том, как на самом деле ведет себя материя.

В одном официальном резюме указано, что магнит нацелен на передовые работы в области материаловедения, наук о жизни и даже в областях, связанных с ядерным синтезом.

Биофизики также надеются использовать сильные, но стабильные поля для изучения структуры сложных биомолекул – строительных блоков белков и других компонентов живых клеток.

Хотя этот магнит не появится в больницах в ближайшее время, технология, стоящая за ним, может со временем повлиять на конструкцию будущих систем медицинской визуализации, которые будут работать быстрее или потреблять меньше энергии. Для пациентов такой прогресс важнее, чем само рекордное число.

Что будет после 35,6 тесла

Инженеры из Института электротехники и Института физики заявили, что уже планируют модернизацию. Они нацелены на преодоление отметки в 40 тесла, расширение апертуры для проведения большего количества типов экспериментов и усиление системы охлаждения для еще большего снижения долгосрочных затрат.

Исследователь Ло Цзяньлинь подчеркнул, что магнит может удерживать пиковое поле более 200 часов, плавно работая при сверхнизких температурах и высоком давлении, что, по его словам, в значительной степени отвечает потребностям научного сообщества.

Такая надежность означает, что международные команды с большей вероятностью будут бронировать время, приезжать в Пекин и выстраивать сложные эксперименты вокруг этой машины, а не относиться к ней как к разовой акции. Реальным испытанием в ближайшие несколько лет станут открытия, которые родятся в результате этих экспериментов.