面向材料科学的多兆高斯超强磁场产生技术及波形重现性研究

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Production of multi-megagauss ultrahigh magnetic fields using destructive magnets for material science

本文针对超强磁场实验中线圈破坏导致的波形不可重复问题，系统研究了单匝线圈和电磁通量压缩两种破坏性磁体产生100-1000 T多兆高斯磁场的技术。通过优化电路参数和机械结构，实现了微秒时间尺度磁场波形的高重现性（差异<0.3%），为材料科学在极端条件下的精确测量提供了关键技术支撑，推动了凝聚态物理等领域的新现象探索。

　　

在探索物质科学的前沿领域，超强磁场犹如一把能够打开新物理现象大门的钥匙。当磁场强度达到100-1000 T（特斯拉）的多兆高斯（mMGF）量级时，它足以改变材料中电子的基本行为，从而诱导出在常规条件下无法观测到的奇异物态。例如，此前的研究已经利用这种极端条件发现了固态氧的新颖高压相，以及磁场导致二氧化钒中分子轨道解离等现象。然而，产生如此强大的磁场本身就是一个巨大的科学挑战，其最大的难点在于：为了产生超强磁场，磁体线圈本身会在电磁力的作用下发生不可逆的破坏，这使得每一次磁场产生实验都成为“一次性”的。这种破坏性本质导致了一个核心问题——每次实验产生的磁场随时间变化的波形（Field Waveform）难以完全重复。对于精密的科学测量而言，如果磁场波形无法重现，那么不同次实验数据的可比性就会大打折扣，实验结果的可靠性也将受到严重制约。因此，如何在这种破坏性的单次实验中，实现磁场波形的高重复性，便成为了将多兆高斯磁场可靠应用于材料科学及其他学科（如化学反应、生物系统）的关键瓶颈。为了回答这一挑战，发表在《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》上的这篇论文，详细介绍了日本东京大学物性研究所团队在利用破坏性磁体产生多兆高斯超强磁场方面取得的技术进展，重点聚焦于磁场波形的重现性这一核心问题。

研究人员主要运用了两种关键的技术方法：单匝线圈法和电磁通量压缩法。单匝线圈技术使用相对紧凑的电容储能系统（如200 kJ能量），通过向一个直径数毫米的金属单匝线圈瞬间放电产生峰值可达200-300 T的磁场，其特点是线圈向外爆炸，部分实验装置得以保存。电磁通量压缩技术则规模更大，利用兆焦耳级别的巨大电能驱动一个初级线圈，使其产生的磁场作用于一个金属衬管，强大的电磁力使衬管向内剧烈压缩，从而将数特斯拉的种子磁场放大至600 T甚至1000 T以上，但整个过程伴随内爆，样品及内部构件完全损毁。研究的关键在于通过精确控制电路参数和机械结构，来驾驭这两种破坏性过程，以实现磁场波形的可重复性。

单匝线圈

东京大学物性研究所自上世纪80年代起持续发展单匝线圈技术，目前在其柏校区拥有水平和垂直两套STC装置。水平STC充电电压最高50 kV，电容160 μF；垂直STC为40 kV，263.5 μF，总能量略超200 kJ。这些装置运行超过25年，维护良好，稳定性高。通过系统改变线圈直径和充电电压，研究人员获得了不同峰值的磁场波形。分析发现，达到峰值磁场的时间随峰值磁场的增高而缩短，这被归因于与B²成正比的电磁力导致线圈更早发生机械变形。研究人员定义了一个归一化因子b^*来评估效率，发现b^*随B_max增大而减小，预示着STC方法的实际极限在300 T左右。电路分析表明，为了在线圈机械破坏之前完成磁场建立，放电必须极快，脉冲持续时间T_d≈π√LC，其中电感L被精确测量和分配。最重要的是，对垂直STC进行的18次独立实验表明，其磁场波形重现性极佳，两次实验的磁场差异|δB|小于0.3%，B_max的标准偏差仅为0.6 T，这为需要两次独立实验（如磁化测量）的精密研究提供了坚实基础。

电磁通量压缩

EMFC是产生300 T以上磁场的必要手段。研究所的第三代5 MJ EMFC系统通过优化设计，提高了驱动电流的上升速率，从而更有效地压缩磁通，曾在室内实验中产生过1200 T的世界纪录。该系统工作原理是利用初级大电流在衬管中感应出次级电流，两者间的电磁斥力使衬管向内爆缩，压缩内部的种子磁场（约3-4 T）至千特斯拉量级。论文展示了使用不同能量和参数（如初级线圈长度、衬管尺寸）产生的多个磁场波形，峰值在533 T至637 T之间。值得注意的是，使用2.24 MJ能量即可产生超过600 T的磁场，证明了第三代系统的高效率。尽管EMFC实验参数复杂且每次使用的线圈和衬管存在加工误差和装配位差，但研究人员发现，在参数相近的实验中，磁场波形可以表现出一定的相似性。通过将两条波形在时间轴上微调0.1 μs，它们在100-500 T范围内的差异可小于10 T。这表明通过将部件定位精度从目前的约0.5 mm提高至0.1 mm，有望在未来实现更好的波形重现性，从而支持更精确的测量。

STC和EMFC在凝聚态物理测量中的应用

论文比较了STC和EMFC在能量效率、操作复杂性和应用优劣方面的特点。能量效率两者相当，但EMFC操作远为复杂。STC的最大优势是样品在磁场施加后通常能保持完好，但其峰值磁场实用上限约200 T，且初始dB/dt可能引起金属样品发热。EMFC则能产生室内实验室可达的最高磁场，但样品和测量装置会在内爆中毁灭，实验准备周期长达一个月。表III系统地列出了两种技术目前可支持的各种测量技术，包括光学吸收光谱、法拉第旋转、回旋共振、磁化测量、射频阻抗测量、磁致伸缩、超声波测量等，并标注了其发展状态。这些技术已经促成了一系列重要发现，例如在超过100 T的磁场下观测到BaTiO₃铁电体介电常数的变化，以及在LaCoO₃中发现新的量子凝聚相等。

综上所述，这项研究深入探讨了利用破坏性磁体产生多兆高斯超强磁场的技术核心——磁场波形的重现性问题。通过对单匝线圈和电磁通量压缩两种方法的长期优化和系统表征，研究人员证明了在微秒时间尺度上实现高重复性磁场波形的可行性，特别是单匝线圈技术已能达到满足精密磁化测量要求的重现水平。尽管电磁通量压缩的波形控制更具挑战，但研究指出了通过提高机械装配精度来改善重现性的明确路径。这些技术的发展使得多兆高斯磁场从一个极端的物理条件，转变为一个可供材料科学进行多种可靠测量的强大工具。该工作不仅巩固了超强磁场产生技术的可靠性，更重要的是为在近乎未被探索的百特斯拉至千特斯拉磁场范围内，发现新的物质态和物理现象铺平了道路，极大地推动了极端条件凝聚态物理等相关学科的前沿探索。