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在人們的印象中，無(wú)論是用于粒子加速器還是核磁共振（NMR）的強(qiáng)磁體，往往都是體型龐大的“巨無(wú)霸”。而據(jù)最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志報(bào)道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)最新研制出兩種緊湊型磁體，磁場(chǎng)強(qiáng)度分別達(dá)到38特斯拉和42特斯拉，而磁體外徑僅63毫米，中心孔徑僅3.1毫米。該成果為高場(chǎng)磁體小型化提供了新路徑，有望推動(dòng)核磁共振（NMR）技術(shù)的發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)制造的這兩種磁體僅手掌大小，但其磁場(chǎng)強(qiáng)度卻可媲美世界頂級(jí)大型磁體。作為對(duì)比，美國(guó)國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室目前保持的場(chǎng)強(qiáng)紀(jì)錄為45.5特斯拉，但其運(yùn)行需要約20兆瓦電力，并依賴復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。

通常來(lái)說(shuō)，要產(chǎn)生42特斯拉的磁場(chǎng)，需要使用大型電阻磁體（由金屬線圈纏繞在圓柱體上構(gòu)成），不僅耗電達(dá)兆瓦級(jí)，還需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。此次研究的突破在于采用了高溫超導(dǎo)（HTS）材料制成的帶材，使磁體能夠在低溫條件下以零電阻傳輸大電流，從而在極小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)磁場(chǎng)。

研究人員將稀土鋇銅氧化物（REBCO）超導(dǎo)帶材繞制成扁平的盤(pán)狀線圈（被稱為“pancake”線圈），再將多個(gè)線圈堆疊成整體結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)不僅將磁場(chǎng)集中在更小體積內(nèi)，而且相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的帶材長(zhǎng)度也大幅減少。

此外，傳統(tǒng)磁體不同線圈之間通常需要連接接頭，這些接頭容易產(chǎn)生熱量并造成能量損耗。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將超導(dǎo)帶材連續(xù)繞制成單一回路，減少了連接帶來(lái)的能量損失。同時(shí)，線圈匝間未設(shè)置絕緣層，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而進(jìn)一步提升磁場(chǎng)強(qiáng)度。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，研究人員向磁體通入超過(guò)1000安培電流，成功獲得了38特斯拉和42特斯拉的穩(wěn)定磁場(chǎng)。研究團(tuán)隊(duì)表示，這一成果證明，完全基于高溫超導(dǎo)材料的緊湊型磁體能夠?qū)崿F(xiàn)40特斯拉以上高磁場(chǎng)，顯示出高場(chǎng)磁體向小型化和高能效方向發(fā)展的潛力。

研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于NMR領(lǐng)域。核磁共振廣泛用于分子結(jié)構(gòu)解析，但目前高場(chǎng)NMR設(shè)備通常體積龐大、成本高昂。未來(lái)，如果這種小型高場(chǎng)磁體能夠進(jìn)一步工程化，有望推動(dòng)高性能NMR設(shè)備向?qū)嶒?yàn)室級(jí)甚至臺(tái)式設(shè)備發(fā)展，從而提升高端科研儀器的可及性。