地表最強磁場出現，瞬間把日本科學家的實驗室炸了！1200特斯拉，「一路火花帶閃電」

　　2018-10-07 10:21股/特斯拉/大學

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　　近期，科學界除了黎曼猜想和諾獎以外，還有一件大事情！就在諾獎頒布的幾日前，日本科學家刷新世界最強磁場紀錄，製造出 1200 特斯拉的超強磁場。

　　而在這個超強磁場誕生的一瞬間，整個實驗室瞬間「一路火花帶閃電」，場面頗為壯觀也十分驚險。萬幸的是，當時研究人員們所處的控制室與實驗室仍有一定距離，最終無人傷亡，只有儀器和一扇鐵門英勇犧牲。

　　

　　圖丨地表最強磁場果然大場面

　　這個看似「瘋狂」的實驗由日本東京大學嶽山正二郎教授（Shojiro Takeyama）帶領團隊於今年 4 月完成，論文發表在今年 9 月的《科學儀器評論》上。

　　在如此強大的磁場中，電子的運動會被限制在1納米的空間內，從而允許研究人員進行更精準的測量，探索新的固體物理學奧秘。那麼，這個 1200 特斯拉究竟是什麼一個概念呢？

　　

　　圖丨一隻在磁場中懸浮的青蛙

　　在以往的實驗中，科學家曾利用 16 特斯拉的磁場讓一隻（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。

　　日本科學家：我也沒想到它這麼強啊！

　　早在今年 1 月，嶽山正二郎教授及其團隊就利用「電磁濃縮法」成功產生了 985 特斯拉的磁場，刷新了室內可控磁場強度的記錄。

　　

　　圖丨Shojiro Takeyama（來源：東京大學）

　　在強烈進取心的驅使下，研究團隊在當時曾表示，1000 特斯拉以上的磁場才是他們追求的目標。經過 3 個月的不斷研究，嶽山的研究團隊終於打破了自己的記錄。

　　但是幸福總是「短暫」的，強度高達 1200 特斯拉的磁場持續了 100 微秒 —— 約為人眨眼時間的三千分之一，之後就燒毀了實驗線圈，還順便破壞了實驗室的鐵門。可謂是事了拂袖去，深藏「功與名」。

　　

　　圖 | 嶽山研究室合影（來源：嶽山研究室）

　　至於破紀錄磁場的誕生過程，研究室的主要負責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。原本估計這次實驗會創造出 700 特斯拉左右的磁場，所以就按照這個強度設計了實驗室的厚鐵門，因此在實驗中被炸壞了。所幸沒有人受傷。」

　　要知道，我們生活中接觸的最強磁場可能就是醫院的核磁共振儀了，它的主磁體可以達到 3 特斯拉的強度，僅為實驗中磁場強度的 1/400。至於我們熟悉的普通磁鐵和冰箱貼，它們的磁場強度僅有 0.001-0.01 特斯拉，完全無法相提並論。

　　事實上，俄羅斯科學家早在 2001 年就曾經創造出 2800 特斯拉的超強磁場，但是他們採用的方法非常極端：在電線圈和磁場產生設備附近引爆成噸的 TNT 炸藥，用爆炸帶來的衝擊力壓縮磁場，提高磁場強度。顯而易見，這個自毀式的方法根本無法在室內進行，也無法有效地控制和重複，因為所有實驗設備都會被炸毀。

　　剎那間結束的實驗

　　實驗中使用的磁場產生設備十分龐大和複雜，其核心部分由儲存巨大能量的電容器，主線圈，內襯管和勵磁線圈組成，一些零部件甚至只有少數公司才能生產。

　　

　　圖 | 部分實驗設備結構圖（左）和實驗數據圖（右）（來源：嶽山正二郎）

　　在開啟設備后，充滿電的電容器（圖中左上灰色區域）會提供 3.2 兆焦耳（最多 5 兆焦耳）的能量。這些能量通過 480 根獨立電線傳輸到主線圈（圖中左下灰色圓環）中，由此產生的電流以每微秒 4000 萬安培的速度增加，最終達到 4 安培。這種瞬間產生的巨大電流會創造一個強磁場，並在 1.5 毫米厚的內襯管（圖中左下橘黃色圓柱體）內部產生感應電流。

　　這兩股電流會產生互相排斥的磁場。由於主線圈由銅和鐵製成，相對於薄薄的銅內襯管更加厚重，因此排斥力和質量的差異會讓內襯管以 5 千米/秒的速度向內內爆。這種現象會不斷壓縮主線圈的靜態磁場，其強度約為 3.2 特斯拉，與核磁共振儀主磁體相當。

　　在壓縮過程中，研究人員利用了法拉第效應來測量磁場的強度，即當激光穿過磁場時，它的偏振會被磁場扭曲，結合傳播介質的長度和扭曲的角度，便可以得出磁場強度。他們在主線圈中放入了反射性光學探測裝置，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，來識別和測量入射激光的偏振等數據，再經過分析射出的激光數據，計算得出最終的磁場強度變化和峰值。

　　

　　圖 | 磁場強度的測量方法（來源：嶽山正二郎）

　　在經過了 40 多微秒的掙扎后，內襯管無法再一步壓縮，其磁場強度達到了 1200 特斯拉的峰值。此後，內襯管以相似的速度回彈，這股強大的力量最終帶著主線圈一起「同歸於盡」，並將實驗室的鐵門也炸壞了，留下了自己來過的痕迹。

　　至於追求超強磁場的理由，嶽山正二郎教授解釋說，「當磁場強度超過 1000 特斯拉時，你就會發現更有趣的可能性。你可以在電子不常在的材料環境中觀察它們的運動，探索新的電子設備種類，比如納米級別的電子設備。」

　　這項研究還有助於核聚變發電技術的研發，因為穩定核聚變所需的托卡馬克裝置需要數千特斯拉的強磁場，並且維持數微秒的時長。

　　如果研究團隊可以進一步提高磁場強度和可控性，那麼我們或許離可控的核聚變發電技術又近了一步。

　　目前，研究團隊正在追求更高的強度記錄。「我們需要調整一下磁場生成器，然後重建一個鐵櫃（實驗室）。相比這次的 3.2 兆焦耳，下次我們要充入 5 兆焦耳的能量，應該可以達到 1500 特斯拉的強度，」嶽山正二郎教授如是說。

　　而參考嶽山教授這一次的經驗的話，下一次磁場的最終強度有可能遠超 1500 特斯拉。因此，面對這種積極進取的科研精神，我們除了希望新紀錄可以早日出現以外，也祝願嶽山團隊的新實驗室能夠準備一個更堅固的門。

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　　責編：黃珊

　　參考：

　　https://www.iflscience.com/physi ... lab-in-the-process/

　　https://spectrum.ieee.org/nanocl ... h-a-bang-1200-tesla

　　https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00008.html

　　https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/docs/youran2016.pdf