42 теслы в кармане: физики сжали магнитную установку размером с завод до габаритов яблока

Магниты с полем выше 40 тесла давно считаются роскошью крупных научных центров. Такие установки занимают целые помещения, требуют сложной инфраструктуры и сжигают мегаватты энергии. Группа исследователей из ETH Zürich показала другой вариант: магнит с полем до 42,3 тесла поместился в ладони и работает при мощности меньше одного ватта. Для физики сильных полей разница выглядит почти неправдоподобной.

Работу опубликовал журнал Science Advances. Авторы собрали два компактных магнита целиком на высокотемпературных сверхпроводниках. Основой послужила лента REBCO, материал на базе редкоземельных элементов, бария, меди и кислорода. Первый образец с двумя плоскими катушками достиг 38 тесла. Второй вариант, где четыре катушки сложили в стопку, выдал 42,3 тесла. До сих пор такие значения ассоциировались прежде всего с огромными стационарными системами, которые стоят лишь в нескольких национальных лабораториях мира.

Масштаб лучше всего виден в сравнении с привычной техникой. Больничные томографы МРТ обычно работают в диапазоне 1,5-3 тесла. Предыдущий рекорд для полностью высокотемпературного сверхпроводящего магнита держался на уровне 26 тесла. Мировой рекорд среди стационарных магнитов принадлежит установке Национальной лаборатории сильных магнитных полей США: 45,5 тесла при потреблении свыше 20 мегаватт. Швейцарские образцы подобрались к такому уровню вплотную, хотя объём катушек у них более чем в тысячу раз меньше.

Главная инженерная проблема скрывалась в геометрии. Внутренний канал магнита имеет диаметр всего 3,1 миллиметра, примерно как толщина карандаша. Сверхпроводящую ленту REBCO обычно не наматывают на столь малый радиус: стандартные методы требуют минимум около 14 миллиметров, иначе хрупкий сверхпроводящий слой может треснуть. Команда ETH Zürich нашла обходной путь и перенесла точку соединения катушек за пределы внутреннего отверстия. Такой приём позволил сохранить целостность ленты даже при очень плотной намотке.

Конструкция дополняется намоткой без изоляции и пайкой по всей катушке. Подобная схема даёт сразу два эффекта. Во-первых, через катушку проходит больше тока на единицу площади. Во-вторых, сама структура становится прочнее и лучше переносит механические нагрузки. Исследователи сообщают о плотности тока до 2257 ампер на квадратный миллиметр.

Авторы провели внутри канала диаметром 3,1 миллиметра эксперименты по ядерному магнитному резонансу. Метод ЯМР помогает изучать строение молекул и материалов: сильное магнитное поле повышает чувствительность прибора и улучшает разрешение спектров. Иными словами, исследователь получает более подробную картину того, как устроено вещество на молекулярном уровне.

Сейчас работа в полях выше 28 тесла чаще всего требует поездки в национальную лабораторию и отдельной заявки на доступ к установке. Для университетских групп и исследовательских больниц такой режим означает месяцы ожидания, высокие расходы и жёсткие ограничения по времени эксперимента. Компактный магнит, который способен работать в районе 40 тесла при малом энергопотреблении, меняет саму логику доступа к таким измерениям. Высокопольный ЯМР перестаёт быть редким ресурсом крупнейших центров и постепенно превращается в лабораторный инструмент.

Авторы отдельно упоминают ещё две области, где разработка может особенно пригодиться. Первая связана с квантовыми материалами, где необычные свойства вещества нередко проявляются только в очень сильных магнитных полях. Вторая касается микро-ЯМР. В таких системах радиочастотные катушки уже научились уменьшать до размеров меньше одного миллиметра, поэтому миниатюрный сверхсильный магнит хорошо вписывается в существующий тренд на уменьшение приборов.

Пока технология не решила все проблемы. Для ЯМР критически важна однородность поля внутри рабочего канала. Если магнитное поле распределено неравномерно, спектральные линии расплываются и точность измерений падает. Команда ETH Zürich прямо признаёт, что по этому параметру работу ещё предстоит довести. Следующая цель связана как раз с улучшением однородности и с прямыми ЯМР-измерениями в полях выше 40 тесла.

Если дальнейшие испытания подтвердят расчёты и воспроизводимость результатов, сильные магнитные поля перестанут быть привилегией гигантских установок с отдельными энергоблоками. В таком случае часть экспериментов, которые раньше проводили только в национальных лабораториях, переедет на обычный лабораторный стол.