Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) совершили прорыв в области физики высоких магнитных полей, создав самый мощный в мире миниатюрный сверхпроводящий магнит. Устройство, которое легко умещается на ладони, способно генерировать магнитное поле напряженностью 42 тесла, приближаясь к показателям гигантских установок, занимающих целые комнаты и потребляющих мегаватты электроэнергии.
Результаты работы, опубликованные в журнале Science Advances, описывают два компактных магнита, полностью состоящих из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе редкоземельного оксида бария и меди (REBCO). Первый магнит, использующий две катушки, достиг показателя в 38 тесла. Второй, с четырьмя катушками, установил рекорд для устройств такого типа, достигнув 42,3 тесла.
Для понимания масштаба достижения стоит сравнить эти цифры с существующими технологиями. Стандартные томографы МРТ в больницах работают при напряженности поля от 1,5 до 3 тесла. Прежний рекорд для полностью ВТСП-магнитов составлял 26 тесла. Мировой рекордсмен среди магнитов постоянного тока, расположенный в Национальной лаборатории сильных магнитных полей США, выдает 45,5 тесла, однако потребляет более 20 мегаватт энергии и требует колоссальной инфраструктуры. Новый же магнит из Цюриха потребляет в тысячи раз меньше энергии (менее одного ватта), а объем его катушек более чем в тысячу раз меньше, при этом он вплотную приблизился по своим характеристикам к своему "старшему брату".
Ключевой инженерной проблемой, которую решили ученые, стала намотка сверхпроводящей ленты REBCO на катушку с крайне малым внутренним диаметром — всего 3,1 миллиметра, что сопоставимо с толщиной карандаша. Стандартные методы намотки требуют диаметра не менее 14 миллиметров, чтобы избежать повреждения хрупкого сверхпроводящего слоя. Исследователи разработали специальную технику, которая позволила вывести места соединений катушек наружу, сохранив целостность ленты даже при столь сильном изгибе. Дополнительно была применена безызоляционная намотка в сочетании с пайкой по всей катушке, что значительно повысило плотность тока и механическую прочность конструкции. В результате была достигнута плотность тока до 2257 ампер на квадратный миллиметр.
Помимо впечатляющих технических характеристик, команда продемонстрировала практическую применимость разработки, проведя эксперименты по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) внутри этого миниатюрного магнита. ЯМР-спектроскопия — важнейший метод изучения молекулярных структур, эффективность которого напрямую зависит от силы магнитного поля. До сих пор работа при полях выше 28 тесла была возможна только в нескольких национальных лабораториях мира. Создание компактного и энергоэффективного магнита может сделать высокопольный ЯМР доступным для обычных университетских лабораторий и исследовательских центров, которые не могут позволить себе строительство огромных дорогостоящих установок. Помимо спектроскопии, устройство может найти применение в исследованиях квантовых материалов и в микро-ЯМР следующего поколения.
Исследователи признают, что перед ними стоит задача улучшения однородности магнитного поля, но они уже работают над этим. В планах команды — довести прямые ЯМР-измерения до значений свыше 40 тесла. На технологию уже подана патентная заявка. Эта разработка доказывает, что отныне экстремальные магнитные поля больше не являются прерогативой исключительно крупных национальных лабораторий: они могут поместиться в руке ученого.