Магнит в руке: как швейцарцы сжали 42 тесла до размера карандаша

Команда физиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) разработала два компактных сверхпроводящих магнита на основе высокотемпературных материалов. Один из них выдал 38 тесла, второй — рекордные 42,3 тесла. При этом устройство помещается в ладонь и потребляет меньше одного ватта энергии. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Для понимания масштаба: стандартный медицинский МРТ-сканер работает на 1,5-3 тесла. Предыдущий рекорд для полностью высокотемпературных сверхпроводящих магнитов составлял 26 тесла. Мировой рекордсмен — 45,5-тесла магнит в Национальной лаборатории сильных магнитных полей США — занимает целое здание и «ест» более 20 мегаватт. Новые швейцарские магниты в тысячи раз экономичнее и в тысячу раз компактнее, при этом почти догоняют рекорд.

Основная сложность заключалась в намотке сверхпроводящей ленты из оксида редкоземельного бария и меди (REBCO) вокруг канала диаметром всего 3,1 мм — примерно как у простого карандаша. Обычные методы требуют минимум 14 мм, иначе хрупкий сверхпроводящий слой трескается.

Инженеры из Цюриха придумали способ, при котором точка соединения катушек вынесена за пределы узкого канала. Это позволило сохранить целостность ленты даже при экстремальном изгибе. Дополнительно использована техника намотки без изоляции с пайкой по всей длине катушки — это повысило и плотность тока, и механическую прочность. В итоге достигнута плотность тока до 2257 А/мм² — показатель, недостижимый для большинства крупных сверхпроводящих систем.

Исследователи не ограничились цифрами: они провели эксперименты по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) прямо внутри 3,1-мм канала магнита. ЯМР-спектроскопия — ключевой метод изучения молекулярной структуры — становится точнее и чувствительнее при росте магнитного поля. Сейчас для работы с полями выше 28 тесла учёным приходится бронировать время в национальных лабораториях.

Пальмовый магнит, работающий в этом диапазоне при минимальных затратах, может сделать высокопольную ЯМР-спектроскопию доступной для университетских лабораторий и исследовательских клиник, которые ранее не могли позволить себе такие установки.

Авторы также отмечают перспективы в области изучения квантовых материалов и разработки микро-ЯМР-систем нового поколения, где уже продемонстрированы радиочастотные катушки размером менее 1 мм.

Учёные признают: пока остаётся задача улучшить однородность магнитного поля внутри канала — от этого зависит точность измерений. В планах — доработать конструкцию и выйти на прямые ЯМР-измерения при полях выше 40 тесла. Патентная заявка на технологию уже подана.

Главный итог: наука о сверхсильных магнитных полях больше не привязана к гигантским национальным установкам. Иногда достаточно устройства, которое помещается в руке.

Источник: interestingengineering