全超導用戶磁體實現35.6 T

本文選自《物理》2026年第3期

2026年1月，在中國科學院物理研究所綜合極端條件實驗裝置的極低溫強磁場量子振蕩實驗站，全超導磁體中心磁感應強度成功實現35.6 T磁場，成為全超導用戶磁體新的世界紀錄。

工作狀態下的全超導高場磁體+低溫恒溫器系統，杜瓦主體部分在地面以下基坑內

量子振蕩實驗站以在極低溫、強磁場條件下研究量子材料的電子結構及其演化過程為目標，由全超導磁體提供強磁場環境、稀釋制冷機提供極低溫環境，并配置了電輸運、磁扭矩、磁致伸縮、隧穿二極管LC振蕩電路等多種測量系統。其中全超導強磁場磁體是該實驗站的核心裝備，在磁體冷孔口徑、磁場均勻度、磁場維持時間、以及整體能耗等方面具有優勢。該全超導磁體由最高磁場15 T的低溫超導(LTS)背場磁體和高溫超導(HTS)內插磁體同軸嵌套構成，是綜合極端條件實驗裝置規劃建設的內容之一，由中國科學院電工研究所王秋良團隊負責設計制作。該團隊對高溫超導磁體具有長期研究積累，通過采用無絕緣稀土鋇銅氧(REBCO)高溫超導帶材雙餅線圈技術路線，于2022年在綜合極端實驗裝置實現了中心磁場26 T的全超導磁體，又在2023年達到了30.1 T (LTS 15 T+HTS 15.1 T)，并向用戶開放。在保持低溫超導背場磁體不變，磁體冷孔口徑不變的限制條件下，電工所團隊克服技術上難題，2026年成功研制了全新的高溫超導內插磁體。該高溫超導內插磁體與已有背場磁體配合，可提供20.6 T強磁場。這樣在保持35 mm口徑不變的條件下，創造了全超導用戶磁體35.6 T的新的世界紀錄，相比美國強磁場實驗室2017年的32 T (LTS 15 T+HTS17 T，冷孔口徑34 mm)，提高了3.6 T。

為了準確獲得磁感應強度值，我們采用了國際上認可的核磁共振(NMR)標定方式。此外，為了兼顧校準低溫下可用的霍爾磁場計，整個測量在液氦溫度(4.2 K)進行，因此選擇了27Al核。在35.1 T磁場條件下，磁體軸向10 mm范圍內均勻度達到90 ppm，優異的均勻度不僅確保了該磁體適用于電輸運、磁扭矩、磁致伸縮等測量，還使其能夠應用于對磁場均勻性要求嚴苛的核磁共振實驗，展現出卓越的通用性。

該全超導用戶磁體研制成功后，將為凝聚態物理和材料科學的研究提供重要實驗條件，特別是對強關聯電子體系和非常規超導體、拓撲新物態、二維材料等量子材料的研究意義重大。

(中國科學院物理研究所 李崗、李政、雒建林 供稿)

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