地表強(qiáng)磁場出現(xiàn)，1200特斯拉，瞬間把日本科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室炸了！ 近期，科學(xué)界除了黎曼猜想和諾獎(jiǎng)以外，還有一件大事情！就在諾獎(jiǎng)?lì)C布的幾日前，日本科學(xué)家刷新世界強(qiáng)磁場紀(jì)錄，制造出 1200 特斯拉的*磁場。 而在這個(gè)*磁場誕生的一瞬間，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室瞬間“一路火花帶閃電”，場面頗為壯觀也十分驚險(xiǎn)。萬幸的是，當(dāng)時(shí)研究人員們所處的控制室與實(shí)驗(yàn)室仍有一定距離，終無人傷亡，只有儀器和一扇鐵門英勇犧牲。
這個(gè)看似“*”的實(shí)驗(yàn)由日本東京大學(xué)嶽山正二郎教授（Shojiro Takeyama）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)于今年 4 月完成，論文發(fā)表在今年 9 月的《科學(xué)儀器評論》上。
在如此強(qiáng)大的磁場中，電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)被限制在1納米的空間內(nèi)，從而允許研究人員進(jìn)行更的測量，探索新的固體物理學(xué)奧秘。那么，這個(gè) 1200 特斯拉究竟是什么一個(gè)概念呢？
在以往的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家曾利用 16 特斯拉的磁場讓一只（無辜的）青蛙懸浮在空中，但我們生活中幾乎接觸不到 16 特斯拉的磁場，更別提 1200 特斯拉了。 日本科學(xué)家：我也沒想到它這么強(qiáng)?。?/p> 早在今年 1 月，嶽山正二郎教授及其團(tuán)隊(duì)就利用“電磁濃縮法”成功產(chǎn)生了 985 特斯拉的磁場，刷新了室內(nèi)可控磁場強(qiáng)度的記錄。
在強(qiáng)烈進(jìn)取心的驅(qū)使下，研究團(tuán)隊(duì)在當(dāng)時(shí)曾表示，1000 特斯拉以上的磁場才是他們追求的目標(biāo)。經(jīng)過 3 個(gè)月的不斷研究，嶽山的研究團(tuán)隊(duì)終于打破了自己的記錄。 但是幸福總是“短暫”的，強(qiáng)度高達(dá) 1200 特斯拉的磁場持續(xù)了 100 微秒 —— 約為人眨眼時(shí)間的三千分之一，之后就燒毀了實(shí)驗(yàn)線圈，還順便破壞了實(shí)驗(yàn)室的鐵門?？芍^是事了拂袖去，深藏“功與名”。
至于破紀(jì)錄磁場的誕生過程，研究室的主要負(fù)責(zé)人嶽山正二郎教授表示，“我也沒想到一下子造出了 1200 特斯拉的磁場。原本估計(jì)這次實(shí)驗(yàn)會(huì)創(chuàng)造出 700 特斯拉左右的磁場，所以就按照這個(gè)強(qiáng)度設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室的厚鐵門，因此在實(shí)驗(yàn)中被炸壞了。所幸沒有人受傷。” 要知道，我們生活中接觸的強(qiáng)磁場可能就是醫(yī)院的核磁共振儀了，它的主磁體可以達(dá)到 3 特斯拉的強(qiáng)度，僅為實(shí)驗(yàn)中磁場強(qiáng)度的 1/400。至于我們熟悉的普通磁鐵和冰箱貼，它們的磁場強(qiáng)度僅有 0.001-0.01 特斯拉，*無法相提并論。 事實(shí)上，俄羅斯科學(xué)家早在 2001 年就曾經(jīng)創(chuàng)造出 2800 特斯拉的*磁場，但是他們采用的方法非常：在電線圈和磁場產(chǎn)生設(shè)備附近引爆成噸的，用爆炸帶來的沖擊力壓縮磁場，提高磁場強(qiáng)度。顯而易見，這個(gè)自毀式的方法根本無法在室內(nèi)進(jìn)行，也無法有效地控制和重復(fù)，因?yàn)樗袑?shí)驗(yàn)設(shè)備都會(huì)被炸毀。 剎那間結(jié)束的實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中使用的磁場產(chǎn)生設(shè)備十分龐大和復(fù)雜，其核心部分由儲(chǔ)存巨大能量的電容器，主線圈，內(nèi)襯管和勵(lì)磁線圈組成，一些零部件甚至只有少數(shù)公司才能生產(chǎn)。
在開啟設(shè)備后，充滿電的電容器（圖中左上灰色區(qū)域）會(huì)提供 3.2 兆焦耳（多 5 兆焦耳）的能量。這些能量通過 480 根獨(dú)立電線傳輸?shù)街骶€圈（圖中左下灰色圓環(huán)）中，由此產(chǎn)生的電流以每微秒 4000 萬安培的速度增加，終達(dá)到 4 安培。這種瞬間產(chǎn)生的巨大電流會(huì)創(chuàng)造一個(gè)強(qiáng)磁場，并在 1.5 毫米厚的內(nèi)襯管（圖中左下橘黃色圓柱體）內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。 這兩股電流會(huì)產(chǎn)生互相排斥的磁場。由于主線圈由銅和鐵制成，相對于薄薄的銅內(nèi)襯管更加厚重，因此排斥力和質(zhì)量的差異會(huì)讓內(nèi)襯管以 5 千米/秒的速度向內(nèi)內(nèi)爆。這種現(xiàn)象會(huì)不斷壓縮主線圈的靜態(tài)磁場，其強(qiáng)度約為 3.2 特斯拉，與核磁共振儀主磁體相當(dāng)。 在壓縮過程中，研究人員利用了法拉第效應(yīng)來測量磁場的強(qiáng)度，即當(dāng)激光穿過磁場時(shí)，它的偏振會(huì)被磁場扭曲，結(jié)合傳播介質(zhì)的長度和扭曲的角度，便可以得出磁場強(qiáng)度。他們在主線圈中放入了反射性光學(xué)探測裝置，輔以熔融石英棒，透鏡，塑料棒和磁場探頭等多種微米和毫米級器材，來識(shí)別和測量入射激光的偏振等數(shù)據(jù)，再經(jīng)過分析射出的激光數(shù)據(jù)，計(jì)算得出終的磁場強(qiáng)度變化和峰值。
在經(jīng)過了 40 多微秒的掙扎后，內(nèi)襯管無法再一步壓縮，其磁場強(qiáng)度達(dá)到了 1200 特斯拉的峰值。此后，內(nèi)襯管以相似的速度回彈，這股強(qiáng)大的力量終帶著主線圈一起“同歸于盡”，并將實(shí)驗(yàn)室的鐵門也炸壞了，留下了自己來過的痕跡。 至于追求*磁場的理由，嶽山正二郎教授解釋說，“當(dāng)磁場強(qiáng)度超過 1000 特斯拉時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)更有趣的可能性。你可以在電子不常在的材料環(huán)境中觀察它們的運(yùn)動(dòng)，探索新的電子設(shè)備種類，比如納米級別的電子設(shè)備。” 這項(xiàng)研究還有助于核聚變發(fā)電技術(shù)的研發(fā)，因?yàn)榉€(wěn)定核聚變所需的托卡馬克裝置需要數(shù)千特斯拉的強(qiáng)磁場，并且維持?jǐn)?shù)微秒的時(shí)長。 如果研究團(tuán)隊(duì)可以進(jìn)一步提高磁場強(qiáng)度和可控性，那么我們或許離可控的核聚變發(fā)電技術(shù)又近了一步。 |
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