把一塊材料放在相當于地球磁感應(yīng)強度120萬倍的強磁場下，持續(xù)10毫秒，或者以毫秒級的時間間隔反復(fù)施加強磁場，會發(fā)生什么？

近日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場科學(xué)中心成功實現(xiàn)64特斯拉脈沖平頂磁場強度，創(chuàng)造了脈沖平頂磁場強度新的世界紀錄。在物理學(xué)家看來，這無異于開辟了研究微觀物質(zhì)世界的新天地。

“我們可以用它測量熱電信號，研究材料的自旋動力學(xué)，這對存儲材料的改進提升將有極大的幫助。”復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢教授聽聞這個消息，一下找到了未來的科研方向，“這在國際上也是獨一無二的！”

中國電機工程學(xué)會鑒定認為，該項目在脈沖平頂磁場強度和高場重復(fù)頻率上創(chuàng)造了兩項世界紀錄，結(jié)束了我國強磁場下科學(xué)研究長期依賴國外裝置的歷史。

國家脈沖強磁場科學(xué)中心對外開放運行4年來，取得了包括近90年來首次發(fā)現(xiàn)的全新規(guī)律量子振蕩現(xiàn)象等一大批創(chuàng)新成果，成功躋身國際領(lǐng)先的脈沖強磁場行列。

后來者創(chuàng)造加速度

2013年10月，山水逶迤的武漢東湖畔，國家脈沖強磁場科學(xué)中心迎來了20多位“磁性十足”的大咖。全球主要強磁場實驗室負責人和國際強磁場權(quán)威專家都已到齊。

他們不敢相信，中國人要公開進行實驗演示，因為產(chǎn)生脈沖磁場的強大電流和電磁應(yīng)力，隨時會“爆表”。在此之前，國際上從來沒一個實驗室敢公開進行高參數(shù)實驗演示，德國德累斯頓強磁場實驗室就曾在公開演示中發(fā)生過磁體爆炸。

1個控制中心，8個實驗站，整整1天實驗，外國專家們閉門討論3個小時。當會議室大門打開的那一刻，中心主任李亮教授緊鎖的眉頭終于舒展，“這里的脈沖強磁場設(shè)施已經(jīng)躋身于世界上最好的脈沖場之列”，國際同行給出評價。

上世紀80年代后期，高溫超導(dǎo)成為熱門研究領(lǐng)域，傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)強磁場已經(jīng)力不從心。歐美發(fā)達國家開始加大磁場強度更高的脈沖強磁場建設(shè)，而我國在脈沖強磁場設(shè)施方面，基本是空白。

中國工程院院士潘垣敏銳地意識到，我國要想在凝聚態(tài)物理、材料、化學(xué)和生命等基礎(chǔ)前沿科學(xué)方面的研究進入國際前列，就必須建設(shè)世界一流水平的脈沖強磁場裝置。

從無到有、從弱到強，國家脈沖強磁場科學(xué)中心創(chuàng)造出驚人的中國速度和中國強度：開工僅僅11個月，脈沖強磁場實驗裝置樣機系統(tǒng)就已研制完成。磁場強度從2009年的75特斯拉，到2013年的90.6特斯拉，不斷刷新我國脈沖磁場強度紀錄。

中國需要一顆強磁心

從素有脈沖強磁場發(fā)源地之稱的比利時魯汶大學(xué)回到國內(nèi)僅僅三年，上海科技大學(xué)李軍教授就在高溫超導(dǎo)材料領(lǐng)域取得突破。

“研究高溫超導(dǎo)材料，低溫、強磁場是必不可少的極端條件，我們需要60特斯拉以上的超強磁場，才能達到高溫超導(dǎo)材料的臨界磁場，從而了解材料在超導(dǎo)狀態(tài)下的物理特性。”李軍說，“國家脈沖強磁場科學(xué)中心比我在國外的實驗條件還要好，沒有他們的支持，進展肯定不會這么順利。”

磁現(xiàn)象是物質(zhì)的基本現(xiàn)象之一。首先，當物質(zhì)處在強磁場中，內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，產(chǎn)生新現(xiàn)象。此外，物質(zhì)本身最重要的特性之一——電子結(jié)構(gòu)(費米面)也能通過強磁場下量子振蕩的手段間接觀測出來。因此，自1913年以來，包括量子霍爾效應(yīng)、分數(shù)量子霍爾效應(yīng)、磁共振成像和第二類超導(dǎo)體等與磁場有關(guān)的諾貝爾獎有19項。強磁場與極低溫、超高壓一起，被列為現(xiàn)代科學(xué)實驗最重要的極端條件之一。

過去，修發(fā)賢教授長期在美國開展強磁場實驗，每年需要花費數(shù)十萬元不說，還得絞盡腦汁地寫申請、排隊等機時。歐美的強磁場實驗室雖然向所有科學(xué)家開放，但是少不了“挑肥揀瘦”。

即便很優(yōu)秀，也不是每次申請都能獲批。“去年我就被拒了一次，原因是一項實驗之前已經(jīng)做過。”修發(fā)賢對此無可奈何。但是，當國家脈沖強磁場科學(xué)中心建成，尤其是在脈沖平頂磁場和超高重頻磁場方面取得突破后，國外的強磁場已經(jīng)“吸引不了”他了。

一流的磁場買不來

2007年，被李培根校長“三顧茅廬”打動的李亮，告別妻女，放棄GE公司的高薪職位，只身來到武漢，主持脈沖強磁場實驗裝置的建設(shè)工作。

面對有限的科研資金、落后的導(dǎo)體材料，李亮與同事們費盡心思。

不同科學(xué)研究需要不同的磁場波形，為了提高裝置的運行效率，李亮把整個裝置設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，由一套中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)3類電源和8個實驗站的靈活組合。這樣一來，就可以在同一科學(xué)實驗站的同一磁體上產(chǎn)生多種磁場波形，大幅提升了我國脈沖強磁場實驗裝置的科研產(chǎn)出。

“強磁場中心85%以上的材料、部件都是國產(chǎn)的。核心材料和部件是要不來、買不來、討不來的。”李亮自豪地說。

國家脈沖強磁場科學(xué)中心設(shè)備的每一個電路設(shè)計圖都由團隊自己繪制，每一個零件都是團隊自己安裝調(diào)試。磁體是脈沖強磁場裝置的核心部分，而磁體線圈的研制不僅要求十分嚴格，而且沒有“回頭路”，只能一次成功。負責手工纏繞磁體線圈的彭濤教授，常常“做夢都在繞磁體”，生怕出一點差錯。

中心常務(wù)副主任韓小濤教授負責的控制系統(tǒng)是讓裝置動起來的“中樞大腦”。強電流、強磁場和極低溫等極端條件對控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及安全性都提出了極為苛刻的要求，憑借團隊自力更生、艱苦奮斗的精神，控制系統(tǒng)運行至今，無一起嚴重控制故障。

正是有了創(chuàng)新“殺手锏”，國家脈沖強磁場科學(xué)中心成了一塊“磁鐵”，吸引國內(nèi)外頂尖人才造訪。北京大學(xué)、清華大學(xué)、中科院物理所、美國斯坦福大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、德國德累斯頓強磁場實驗室等頂尖科研機構(gòu)紛至沓來，在高溫超導(dǎo)、拓撲半金屬、分子磁體、石墨烯等領(lǐng)域取得豐碩成果，并在《科學(xué)》《自然》等期刊發(fā)表SCI收錄論文672篇。