在物理學的世界里，磁場看不見、摸不著，卻無處不在。地球本身就是一個巨大的磁體，產生約0.5高斯的地磁場——這個看似微弱的磁場，卻像一把隱形巨傘，守護著地球上的萬物免遭宇宙射線的侵襲。候鳥依靠它辨別方向，完成千里遷徙；信鴿借助它找到歸家之路。然而，當科學家們試圖探索物質的深層奧秘時，這樣的磁場強度遠遠不夠。他們需要更強大的磁場——強到足以讓電子改變軌道，讓原子核的秘密顯現(xiàn)，讓新材料在極端條件下展現(xiàn)出意想不到的性質。

近日，一個令國際科學界矚目的消息從合肥傳來：由中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所牽頭，聯(lián)合合肥國際應用超導中心、合肥綜合性國家科學中心能源研究院、清華大學共同研制的全超導磁體，成功產生了35.1特斯拉的穩(wěn)態(tài)強磁場，創(chuàng)造了新的世界紀錄。這個數(shù)字意味著什么？它相當于地球磁場強度的70萬倍，是迄今為止全超導磁體所能達到的最高穩(wěn)態(tài)磁場強度。

35.1特斯拉全超導磁體

（圖片來源：央視新聞）

超導：零電阻的奇跡

要理解這項成就的非凡之處，我們首先需要先了解什么是超導。1911年，荷蘭物理學家昂內斯在研究汞的電阻隨溫度變化規(guī)律的過程中發(fā)現(xiàn)，當溫度降至4.2開爾文（約零下269攝氏度）時，汞的電阻會突然消失。他將這一現(xiàn)象命名為“超導”，而處于該狀態(tài)的材料被稱為超導體。

超導體有兩個神奇的特性：零電阻和完全抗磁性。零電阻意味著電流可以在超導體中永久流動而不損耗能量，這讓超導磁體具有了獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的電磁鐵需要持續(xù)供電才能維持磁場，消耗大量電能并產生驚人的熱量。而超導磁體一旦被“充電”完成，電流就會在超導線圈中持續(xù)循環(huán)，幾乎不需要額外能量就能維持強大的穩(wěn)態(tài)磁場。這種穩(wěn)態(tài)磁場對于科學研究至關重要——它可以持續(xù)數(shù)小時甚至數(shù)天保持穩(wěn)定，讓科學家有充足的時間進行精密測量和實驗。

然而，超導并非萬能。早期發(fā)現(xiàn)的超導材料——被稱為低溫超導體，只能在接近絕對零度的極低溫下工作，這給實際應用帶來了巨大挑戰(zhàn)。20世紀80年代，高溫超導材料的發(fā)現(xiàn)帶來了新的可能性。所謂“高溫”其實仍然很低，通常在零下100多攝氏度，但相比低溫超導體已經有了質的飛躍。更重要的是，高溫超導材料能夠在更高的磁場強度下保持超導態(tài)，這為建造更強的超導磁體開辟了道路。

雙劍合璧：高低溫超導的完美組合

此次創(chuàng)造世界紀錄的全超導磁體，采用了“高溫超導內插磁體加低溫超導磁體”的巧妙設計。想象一下俄羅斯套娃——一個小娃娃套在大娃娃里面。這個磁體的結構正是如此：高溫超導內插磁體位于中心，像一個強勁的內核；低溫超導磁體環(huán)繞在外圍，兩者同軸嵌套，精準配合，形成穩(wěn)定的復合結構。

這種設計并非簡單的疊加，而是充分發(fā)揮了兩種超導材料的優(yōu)勢。低溫超導材料技術成熟，制備工藝完善，能夠提供強大而穩(wěn)定的基礎磁場。高溫超導材料雖然工藝更復雜，但在高磁場環(huán)境下表現(xiàn)出色，能夠在低溫超導磁體提供的背景磁場中繼續(xù)“加碼”，將總磁場推向新的高度。這種組合就像接力賽中的兩棒選手，各自在最擅長的賽段發(fā)力，最終共同沖向終點。

30分鐘的考驗：從沖擊到穩(wěn)定

在2025年9月26日夜至27日凌晨的實驗中，這臺凝聚著無數(shù)心血的超導磁體開始了它的挑戰(zhàn)之旅。科研人員小心翼翼地將磁體勵磁，電流逐漸增大，磁場強度穩(wěn)步攀升。當顯示屏上的數(shù)字最終定格在35.1特斯拉時，實驗室里的氣氛既緊張又振奮。

但這僅僅是開始。對于一臺超導磁體而言，瞬間達到高磁場并不算真正的成功，關鍵在于能否穩(wěn)定運行。就像一位馬拉松運動員，沖刺速度再快，如果無法持續(xù)奔跑也無法完成比賽?？蒲袌F隊需要驗證這臺磁體能否在35.1特斯拉的強度下穩(wěn)定工作，這關系到它能否真正用于科學實驗。

接下來的30分鐘，是對整個技術方案的全面考驗。在這段時間里，磁體內部的溫度、應力、磁場分布都必須保持穩(wěn)定。任何一個參數(shù)的波動都可能導致超導體“失超”——即失去超導態(tài)，電阻突然出現(xiàn)，瞬間釋放的巨大能量可能損毀整個裝置。監(jiān)測系統(tǒng)密切關注著每一個細微的變化，科研人員的心也隨著時間的流逝而懸著。

30分鐘后，磁體順利完成穩(wěn)定運行，隨后安全退磁。這次成功不僅創(chuàng)造了新的世界紀錄，更重要的是驗證了技術方案的可靠性，為在35.1特斯拉條件下開展各類樣品實驗提供了強有力的平臺。從這一刻起，中國科學家擁有了在全球最強穩(wěn)態(tài)超導磁場中探索未知的能力。

全超導磁體測試曲線

（圖片來源：央視新聞）

從實驗室到應用：磁場改變世界

強磁場不僅是科學研究的工具，更是推動技術進步的引擎。在醫(yī)院里，核磁共振成像設備利用強磁場讓人體內的氫原子核“發(fā)聲”，無創(chuàng)地呈現(xiàn)人體內部的精細結構。目前臨床使用的核磁共振設備磁場強度通常在1.5到3特斯拉，而更強的磁場能夠提供更高的分辨率和更快的成像速度。35特斯拉級別的超導磁體技術的突破，為下一代超高場核磁共振設備的研發(fā)奠定了基礎。

在航天領域，超導磁體為電磁推進系統(tǒng)提供了可能。傳統(tǒng)的化學火箭需要攜帶大量燃料，而電磁推進系統(tǒng)利用強磁場加速等離子體產生推力，具有更高的效率和更長的工作壽命。雖然35特斯拉的磁場對于地面研究設施而言已是極限，但這一技術的突破為更緊湊、更高效的航天推進系統(tǒng)開辟了道路。

超導技術在能源傳輸和存儲領域也大有可為。超導電纜能夠無損耗地傳輸電能，超導儲能系統(tǒng)可以高效地調節(jié)電網負荷。超導磁懸浮列車依靠超導磁體產生的強磁場懸浮于軌道之上，消除了輪軌摩擦，理論上可以達到更高的速度。超導感應加熱技術則在材料加工、金屬冶煉等工業(yè)領域展現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

更重要的是，強磁場為探索新材料、新現(xiàn)象提供了不可替代的實驗條件。在強磁場環(huán)境中，許多材料會表現(xiàn)出常態(tài)下觀察不到的奇異性質。量子霍爾效應、拓撲絕緣體、高溫超導機理等前沿課題的研究都離不開強磁場的支持。35.1特斯拉的穩(wěn)態(tài)超導磁場，為中國科學家在凝聚態(tài)物理、材料科學、生命科學等領域開展世界領先的研究提供了獨特的平臺。

磁場之路：永無止境的探索

從1911年超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到今天35.1特斯拉全超導磁體的誕生，人類對強磁場的追求從未停歇。每一次突破都伴隨著材料科學、低溫物理、電磁工程等多個領域的協(xié)同進步。當科學家們在實驗室里小心翼翼地將溫度降至接近絕對零度，讓電流在超導線圈中無損耗地流動，產生出地球磁場70萬倍強度的磁場時，他們不僅在挑戰(zhàn)物理的極限，更在拓展人類認識世界的邊界。

這項由中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所主導完成的成果，不僅創(chuàng)造了新的世界紀錄，更彰顯了中國在前沿科技領域的創(chuàng)新實力與國際引領力。從材料研發(fā)到工藝創(chuàng)新，從理論設計到實驗驗證，完整的自主技術體系確保了中國在這一戰(zhàn)略性領域的持續(xù)競爭力。

在科學的道路上，每一個紀錄都是新起點而非終點。35.1特斯拉之后，科學家們已經在思考如何突破40特斯拉、50特斯拉的關口。新的超導材料在實驗室里誕生，新的磁體結構在圖紙上勾勒，新的制備工藝在車間里嘗試。在這條永無止境的道路上，中國科學家正在書寫屬于自己的精彩篇章。

出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

監(jiān)制：中國科普博覽