Национальная лаборатория сильных магнитных полей

Национальная лаборатория сильных магнитных полей (National High Magnetic Field Laboratory, NHMFL) — это крупнейший в мире научно-исследовательский центр, специализирующийся на создании и использовании сверхсильных магнитных полей для фундаментальных и прикладных исследований в области физики, химии, биологии, материаловедения и геологии. Лаборатория является уникальным объектом megascience, объединяющим несколько кампусов и предоставляющим учёным со всего мира доступ к рекордным по интенсивности постоянным и импульсным магнитным полям.

История

Идея создания единого национального центра для исследований в сильных магнитных полях возникла в США в конце 1980-х годов. До этого подобные работы велись разрозненно в нескольких университетах и лабораториях, что ограничивало возможности достижения рекордных параметров. В 1990 году Национальный научный фонд США (NSF) объявил конкурс на создание национальной лаборатории. Победителем стала консорциум, возглавляемый Университетом штата Флорида (FSU) в Таллахасси, совместно с Университетом Флориды в Гейнсвилле и Национальной лабораторией Лос-Аламоса (Лос-Аламос, штат Нью-Мексико). Официальное открытие лаборатории состоялось в 1994 году.

Основные этапы развития:

1994 год: Начало работы в здании на кампусе FSU в Таллахасси, где были установлены первые магниты с полем до 20 Тл.
1999 год: Ввод в эксплуатацию 45-теслового гибридного магнита (сверхпроводящий + резистивный), который стал самым мощным в мире на тот момент.
2000-е годы: Развитие импульсных магнитов в Лос-Аламосе, достижение полей свыше 60 Тл.
2010-е годы: Запуск 32-теслового сверхпроводящего магнита (рекорд для полностью сверхпроводящих систем) и 36-теслового резистивного магнита во Флориде.
2023 год: Ввод в эксплуатацию 40-теслового сверхпроводящего магнита, побившего собственный рекорд лаборатории.

Организационная структура и кампусы

NHMFL состоит из трёх основных подразделений, каждое из которых специализируется на определённом типе магнитных полей и методах исследований:

Кампус в Таллахасси (FSU) — главный центр. Здесь расположены самые мощные в мире постоянные магниты (резистивные, сверхпроводящие и гибридные). Основные направления: физика конденсированного состояния, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) сверхвысокого разрешения, исследования новых материалов.
Кампус в Гейнсвилле (UF) — специализируется на ЯМР-спектроскопии и магнитно-резонансной томографии (МРТ) с использованием сверхсильных полей. Здесь расположены рекордные по напряжённости поля ЯМР-магниты, используемые для изучения структуры белков и других биомолекул.
Кампус в Лос-Аламосе (LANL) — центр импульсных магнитных полей. Здесь создаются самые высокие импульсные поля (до 100 Тл и выше) для изучения экстремальных состояний вещества, в том числе в интересах физики высоких плотностей энергии и ядерной физики.

Типы магнитов и рекордные достижения

NHMFL разрабатывает и эксплуатирует магниты трёх основных типов, каждый из которых имеет свои рекорды:

Резистивные магниты

Создают постоянное магнитное поле за счёт пропускания огромного тока (до 40 кА) через медные катушки, которые интенсивно охлаждаются водой. Требуют колоссальных энергозатрат (до 30 МВт). Самый мощный резистивный магнит лаборатории (модель 36 Тл) долгое время удерживал мировой рекорд для этого типа, пока в 2023 году не был запущен 40-тесловый сверхпроводящий магнит.

Сверхпроводящие магниты

Используют катушки из сверхпроводящих материалов (например, Nb₃Sn, NbTi, а также высокотемпературные сверхпроводники — ВТСП), которые при охлаждении жидким гелием теряют электрическое сопротивление. Это позволяет создавать сильные поля без огромных энергозатрат. В 2023 году NHMFL запустила 40-тесловый сверхпроводящий магнит, который стал самым мощным в мире среди полностью сверхпроводящих систем. Это достижение считается прорывом, так как ранее такие поля были доступны только резистивным или гибридным магнитам.

Гибридные магниты

Состоят из внешнего сверхпроводящего соленоида и внутреннего резистивного вставного магнита. Комбинация позволяет достичь максимальных значений постоянного поля. В NHMFL работает гибридный магнит с полем 45 Тл, который с 1999 года является мировым рекордсменом среди всех постоянных магнитов. В 2023 году началась разработка нового гибридного магнита на 50 Тл.

Импульсные магниты

Создают поле на короткое время (миллисекунды) за счёт разряда конденсаторной батареи через катушку из высокопрочных сплавов. В Лос-Аламосе достигнуты поля до 100 Тл (в неразрушающем режиме) и до 300 Тл (в разрушающем режиме, при котором катушка уничтожается). Эти поля позволяют изучать квантовые фазовые переходы и свойства материи в экстремальных условиях.

Научные исследования и применение

Магнитные поля, создаваемые в NHMFL, используются для решения широкого круга научных задач:

Физика конденсированного состояния: Изучение высокотемпературной сверхпроводимости, квантовых спиновых жидкостей, топологических изоляторов, эффекта Холла и квантовых фазовых переходов. Сильные поля позволяют подавлять тепловые флуктуации и наблюдать квантовые эффекты, недоступные в обычных условиях.
Материаловедение: Исследование магнитных свойств новых материалов (магнитострикция, магнитосопротивление), а также влияние сверхсильных полей на структуру и фазовые переходы в твёрдых телах.
Химия и биология: ЯМР-спектроскопия сверхвысокого разрешения (поля 21-35 Тл) позволяет определять трёхмерную структуру сложных молекул, включая белки, мембраны и вирусы, с атомарной точностью. Это важно для разработки лекарств и понимания биохимических процессов.
Геология и наука о планетах: Изучение поведения минералов и горных пород в условиях, имитирующих глубокие недра Земли и других планет, где существуют экстремальные магнитные поля.
Медицина: Разработка и тестирование новых методов МРТ с использованием сверхсильных полей (до 21 Тл), что позволяет получать изображения с беспрецедентным разрешением.

Доступ для внешних пользователей

NHMFL является открытым пользовательским центром. Учёные из любых стран, включая Россию, могут подать заявку на проведение исследований. Заявки рассматриваются научным комитетом на основе научной значимости. В случае одобрения лаборатория предоставляет доступ к оборудованию, техническую поддержку и частично или полностью оплачивает расходы. Эта модель сделала NHMFL ключевым центром для мировой науки.

Интересные факты

Для охлаждения резистивных магнитов в NHMFL используется система водоснабжения, способная перекачивать до 6000 литров воды в секунду (эквивалент небольшой реки).
Энергопотребление лаборатории в пиковые моменты сопоставимо с энергопотреблением небольшого города.
Создание 40-теслового сверхпроводящего магнита потребовало разработки новых технологий изготовления ВТСП-лент и их соединения.
В NHMFL хранится один из самых мощных в мире ЯМР-спектрометров с полем 21 Тл (900 МГц по частоте протонного резонанса).

Критика и ограничения

Основные ограничения связаны с высокой стоимостью эксплуатации (электроэнергия, жидкий гелий) и сложностью создания сверхсильных полей. Некоторые исследователи критикуют лабораторию за недостаточное внимание к развитию импульсных полей в пользу постоянных, а также за высокую конкуренцию при распределении времени на установках. Однако в целом NHMFL признаётся мировым лидером в своей области.

Источники

Официальный сайт National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL)
National Science Foundation (NSF) — отчёты о финансировании и деятельности
Публикации в журналах Nature, Science, Physical Review Letters (статьи с результатами исследований NHMFL)
Материалы конференций по магнетизму и сильным магнитным полям (например, International Conference on Magnetism)

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →