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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」

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華盛頓人 發表於 2018-10-7 11:13 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

  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。

  -End-

  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

時代小人物. 但也有自己的思想,情感. 和道德.
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