强磁场的科学意义

磁性是所有物质的基本特性。磁场是诸多科学领域的基本研究工具。磁场可以改变和检验原子和分子的电子态能量和磁矩，因而导致形形色色的不同效应和相关实验技术的产生，揭示许多奇特的现象。 从宏观上来说，磁场与温度、压力一样，是基本的热力学参数，但比较后两者，他对物质的影响较为温和。一般来说，磁场对于其中的样品并不产生破坏作用。但是它能够改变物质的物理、化学和其他性质。在强磁场下，如果场强高于10T，即使在通常的温度下，磁相互作用的效应在所有物质中都变得十分重要了。高于100T，这种相互作用将会使物质的电子态发生显著的变化,导致电子的波函数发生强烈的收缩。相关的收缩尺度称为回旋半径(cyclotron radius)，大致相当于分子或原子的直径。换言之，电子将会“囚禁”在分子或原子的尺度范围内。因而物质的性质会发生剧烈的变化就不足为怪了。在强磁场下，还会发生许多极端的量子效应。 从物理角度来说，如果磁场所对应的磁长度Lm小于或接近所研究的特征长度，或者与磁场对应的电子回旋能Wc和自旋分裂能Wz与系统的某些特征能量相当（例如对于低电子有效质量m*或低有效朗德因子g*的自由电子系统），磁场就会对系统的电子结构发生重大影响，便十分自然地会出现许多难以料想的新现象。对于场强在75T的脉冲磁体，磁场度Lm的值约为3nm。不难预测在此场强下，所有特征尺度（系统的线度、超导相干长度、自旋关联长度等）等于3和小于3nm的纳米或者低维系统，都会出现非常多的奇特的现象和性质。 从材料学、化学、力学和生命科学来说，单位长度上化学键的键能，其量级在每立方厘米几十个千焦耳。例如石油燃料的能量密度的量级约为每立方厘米40千焦耳，相当于场强为300T的磁场能量密度。目前已知材料的应力极限为4GPa，相当于100T磁场所产生的磁应力，接近或者超过这一极限，传统材料科学和力学领域将会出现许多的新的规律和现象。深入探讨这些规律和现象，在国防、航天等领域具有重大意义。在化学和生命科学中，强磁场作用于有机分子或生命体后所产生的最重要效应是磁感应取向化，目前的理论和实验均给出迹象，实现这一取向所需要的磁场强度一般需要60T－80T左右的磁场。 在粒子物理和原子核物理中，强磁场用于加速器中粒子束的输运，分析动量和电子电荷以及原子核的方向，从而研究衰变的各向异性。确定分子的方向也是强磁场在生物学、化学、软凝聚态物质中的诸多应用中之一。强磁场的一个重要应用领域就是核磁共振。 总之，强磁场将为研究物质的相平衡、相结构和相变提供难以替代的实验平台，探索决定宏观性质的集体电子行为尤其有效。磁场直接影响粒子的自旋和轨道角动量，可以对运动的带电粒子产生一个附加力—洛仑兹力，改变电子态密度和能量的量子化。 随着半导体、微电子学和纳米技术的发展，随着强关联电子系统和磁学研究的深入，例如高温超导体低温下正常态性质、硬磁材料中的磁相变机理、复杂电子结构的固体费米面等等问题的探讨，人们越来越清楚地认识到，在更高的强磁场条件下探索有关问题也许是最直捷最有效的途径。以高温超导性的机理为例，极强的磁场会抑制超导性，进而容许在一个较宽的显示超导性的温区内研究导电机制。 强磁场由于能够直接影响物质的电子态和量子化，强烈改变物质的电子结构，从而出现在通常条件下不会出现的许多奇特的性质。强磁场装置的出现和不断改进，自然会对诸多的学科产生重大影响，例如半导体物理、磁学、金属、强关联电子系统、化学、自旋化学、复杂流体、生命科学、生物技术、生物学、医学、磁共振和光谱学等等。 实际上， 20年来，随着强磁场技术的发展，人们利用强磁场实验平台提供的科学机遇，不断有重要的科学发现。发达国家在强磁场条件下的科学研究，已经有了许多新发现和新突破，并且促进了若干科学的新概念、新思想和新理论的问世和发展。特别应该指出的是，1980年，Grenoble强磁场实验室发现量子霍尔效应，这一发现导致高精密度测量的长足发展。目前量子霍尔电阻已作为国际单位中的标准电阻值，量子霍尔效应还导致Wigner-crystallization现象的发现。其后，又发现了量子分数霍尔效应。量子霍尔效应和量子分数霍尔效应分别获得1995年和1998年的诺贝尔物理学奖。量子分数霍尔效应的本质就是，在强磁场下的相互作用电子构成一种奇特的准粒子，其电荷是基本电荷的分数值。实际上，量子霍尔效应和量子分数霍尔效应早在理论上预示过，但只有在强磁场下这些发现才能得以实现。 脉冲强磁场实验装置的建设，不仅将填补我国强磁场科学和技术的空白，填补我国科学研究所唯一缺欠的极端实验条件，而且将使我国成为在国际上具备世界最先进的强磁场技术，大大促进我国相关科学领域研究的发展，迎头占据强磁场科学研究和强磁场技术的最前沿。可以预言，该实验装置的建成，必将为我国科学整体创新能力的提升提供不可替代的综合实验平台，必将带动以电工技术、新材料技术、控制技术、光电技术、先进精密测量技术、核测量技术等我国高新技术的发展，从而为我国的电力、材料、电子、光电和国防等产业的发展开辟新的天地。 了解更多信息，请关注“影像技术”公众号【imgtch】