炸坏实验室铁门！日本科学家意外造出最强磁场
日本科学家实现了高达 1200 特斯拉的超强磁场，刷新实验室磁场强度记录。实验场面非常壮观，实验仪器和一扇铁门瞬间“壮烈牺牲”，好在无人伤亡。
团队负责人嶽山正二郎教授表示，他也没想到磁场会这么强，原本估计能达到 700 特斯拉。
来源：公众号“DeepTech深科技”
作者：Ren
近期，科学界除了黎曼猜想和诺奖以外，还有一件大事情——就在诺奖颁布的几日前，日本科学家宣布刷新世界最强磁场纪录，制造出 1200 特斯拉的超强磁场。
而在这个超强磁场诞生的一瞬间，整个实验室瞬间“一路火花带闪电”，场面颇为壮观也十分惊险。万幸的是，当时研究人员们所处的控制室与实验室仍有一定距离，最终无人伤亡，只有仪器和一扇铁门英勇牺牲。
图丨地表最强磁场果然大场面
这个看似“疯狂”的实验由日本东京大学嶽山正二郎教授（Shojiro Takeyama）带领团队于今年 4 月完成，论文发表在今年 9 月的《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）上。
在如此强大的磁场中，电子的运动会被限制在 1 纳米的空间内，从而允许研究人员进行更精准的测量，探索新的固体物理学奥秘。那么，这个 1200 特斯拉究竟是什么一个概念呢？
图丨一只在磁场中悬浮的青蛙
在以往的实验中，科学家曾利用 16 特斯拉的磁场让一只（无辜的）青蛙悬浮在空中，但我们生活中几乎接触不到 16 特斯拉的磁场，更别提 1200 特斯拉了。
日本科学家：我也没想到它这么强啊！
早在今年 1 月，嶽山正二郎教授及其团队就利用“电磁浓缩法”成功产生了 985 特斯拉的磁场，刷新了室内可控磁场强度的记录。
图丨Shojiro Takeyama（来源：东京大学）
在强烈进取心的驱使下，研究团队在当时曾表示，1000 特斯拉以上的磁场才是他们追求的目标。经过 3 个月的不断研究，嶽山的研究团队终于打破了自己的记录。
但是幸福总是“短暂”的，强度高达 1200 特斯拉的磁场持续了 100 微秒 —— 约为人眨眼时间的三千分之一，之后就烧毁了实验线圈，还顺便破坏了实验室的铁门。可谓是事了拂袖去，深藏“功与名”。
图 | 嶽山研究室合影（来源：嶽山研究室）
至于破纪录磁场的诞生过程，研究室的主要负责人嶽山正二郎教授表示：“我也没想到一下子造出了 1200 特斯拉的磁场。原本估计这次实验会创造出 700 特斯拉左右的磁场，所以就按照这个强度设计了实验室的厚铁门，因此在实验中被炸坏了。所幸没有人受伤。”
要知道，我们生活中接触的最强磁场可能就是医院的核磁共振仪了，它的主磁体可以达到 3 特斯拉的强度，仅为实验中磁场强度的 1/400。至于我们熟悉的普通磁铁和冰箱贴，它们的磁场强度仅有 0.001-0.01 特斯拉，完全无法相提并论。
事实上，俄罗斯科学家早在 2001 年就曾经创造出 2800 特斯拉的超强磁场，但是他们采用的方法非常极端：在电线圈和磁场产生设备附近引爆成吨的 TNT 炸药，用爆炸带来的冲击力压缩磁场，提高磁场强度。显而易见，这个自毁式的方法根本无法在室内进行，也无法有效地控制和重复，因为所有实验设备都会被炸毁。
刹那间结束的实验
实验中使用的磁场产生设备十分庞大和复杂，其核心部分由储存巨大能量的电容器，主线圈，内衬管和励磁线圈组成，一些零部件甚至只有少数公司才能生产。
图 | 部分实验设备结构图（左）和实验数据图（右）（来源：嶽山正二郎）
在开启设备后，充满电的电容器（图中左上灰色区域）会提供 3.2 兆焦耳（最多 5 兆焦耳）的能量。这些能量通过 480 根独立电线传输到主线圈（图中左下灰色圆环）中，由此产生的电流以每微秒 40 万安培的速度增加，最终达四百万安培。这种瞬间产生的巨大电流会创造一个强磁场，并在 1.5 毫米厚的内衬管（图中左下橘黄色圆柱体）内部产生感应电流。
这两股电流会产生互相排斥的磁场。由于主线圈由铜和铁制成，相对于薄薄的铜内衬管更加厚重，因此排斥力和质量的差异会让内衬管以 5 千米/秒的速度向内内爆。这种现象会不断压缩主线圈的静态磁场，其强度约为 3.2 特斯拉，与核磁共振仪主磁体相当。
在压缩过程中，研究人员利用了法拉第效应来测量磁场的强度，即当激光穿过磁场时，它的偏振会被磁场扭曲，结合传播介质的长度和扭曲的角度，便可以得出磁场强度。他们在主线圈中放入了反射性光学探测装置，辅以熔融石英棒，透镜，塑料棒和磁场探头等多种微米和毫米级器材，来识别和测量入射激光的偏振等数据，再经过分析射出的激光数据，计算得出最终的磁场强度变化和峰值。
图 | 磁场强度的测量方法（来源：嶽山正二郎）
在经过了 40 多微秒的挣扎后，内衬管无法再一步压缩，其磁场强度达到了 1200 特斯拉的峰值。此后，内衬管以相似的速度回弹，这股强大的力量最终带着主线圈一起“同归于尽”，并将实验室的铁门也炸坏了，留下了自己来过的痕迹。
至于追求超强磁场的理由，嶽山正二郎教授解释说，“当磁场强度超过 1000 特斯拉时，你就会发现更有趣的可能性。你可以在电子不常在的材料环境中观察它们的运动，探索新的电子设备种类，比如纳米级别的电子设备。”
这项研究还有助于核聚变发电技术的研发，因为稳定核聚变所需的托卡马克装置需要数千特斯拉的强磁场，并且维持数微秒的时长。
如果研究团队可以进一步提高磁场强度和可控性，那么我们或许离可控的核聚变发电技术又近了一步。
目前，研究团队正在追求更高的强度记录。“我们需要调整一下磁场生成器，然后重建一个铁柜（实验室）。相比这次的 3.2 兆焦耳，下次我们要充入 5 兆焦耳的能量，应该可以达到 1500 特斯拉的强度，”嶽山正二郎教授如是说。
而参考嶽山教授这一次的经验的话，下一次磁场的最终强度有可能远超 1500 特斯拉。因此，面对这种积极进取的科研精神，我们除了希望新纪录可以早日出现以外，也祝愿嶽山团队的新实验室能够准备一个更坚固的门。
责编：黄珊
参考：
https://www.iflscience.com/physics/watch-scientists-create-strongestever-indoor-magnetic-field-and-blow-up-their-lab-in-the-process/
https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/magnetic-field-record-set-with-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
本文转载自公众号“DeepTech深科技”（ID:mit-tr）
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