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

Почему крошечный магнит в 42 тесла переворачивает науку

Представьте магнит, который помещается на ладони, потребляет меньше ватта, но выдает поле в 42 тесла. Это не фантастика. Команда из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) сделала это. И теперь наука о сильных магнитных полях перестает быть привилегией гигантских лабораторий.

Что случилось: цифры, которые впечатляют

Один магнит выдал 38 тесла, второй — рекордные 42,3 тесла. Для сравнения: обычный МРТ работает на 1,5–3 тесла. Предыдущий рекорд для полностью высокотемпературных сверхпроводников составлял 26 тесла. А самый мощный в мире магнит (45,5 тесла) занимает целое здание и жрет 20 мегаватт. Новые швейцарские магниты в тысячи раз экономичнее и в тысячу раз компактнее. Почти догнали рекордсмена, уместившись в руке.

Интересная деталь: толщина сверхпроводящего слоя в ленте REBCO — всего 1–2 микрона. И он выдерживает колоссальные токи. Намотать такую ленту с радиусом 1,55 мм, не повредив слой, — задача, которая казалась нерешаемой.

Как уместить 42 тесла в ладони: секрет намотки

Главная проблема — хрупкая сверхпроводящая лента. Обычно ее нельзя согнуть радиусом меньше 14 мм — трескается. Инженеры из Цюриха придумали хитрость: они вынесли точку соединения катушек за пределы узкого канала диаметром 3,1 мм. И использовали технику намотки без изоляции с пайкой по всей длине. Это дало плотность тока до 2257 А/мм² — показатель, недостижимый для большинства крупных систем.

Мое личное наблюдение: когда я впервые увидел фото этого магнита рядом с монетой, я подумал, что это фотошоп. Но потом прочитал статью в Science Advances — там все строго. Каждая цифра подтверждена.

Сравнение: мал золотник, да дорог

Зачем это нужно: ЯМР-спектроскопия и квантовые материалы

Исследователи уже провели эксперименты по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) внутри 3,1-мм канала. Чем выше поле, тем точнее спектроскопия. Сейчас для полей выше 28 тесла ученые вынуждены бронировать время в национальных лабораториях. А такой пальмовый магнит может сделать высокопольную ЯМР-спектроскопию доступной в обычных университетах и клиниках. Авторы также видят перспективы в изучении квантовых материалов и разработке микро-ЯМР-систем с катушками меньше миллиметра.

«Мы переходим от эпохи гигантских установок к эпохе настольных инструментов сверхвысокого поля. Магнит, который помещается в руке, меняет правила игры», — так можно перефразировать настроение статьи.

Как это работает: пошаговый рецепт рекорда

• Шаг 1. Берут сверхпроводящую ленту REBCO — высокотемпературный сверхпроводник.
• Шаг 2. Наматывают ее на оправку диаметром 3,1 мм с вынесенным соединением — чтобы не треснула.
• Шаг 3. Применяют намотку без изоляции и пропаивают всю катушку — это увеличивает плотность тока и прочность.
• Шаг 4. Охлаждают до температуры жидкого азота (77 К) — наступает сверхпроводимость.
• Шаг 5. Подают ток — получают поле до 42 тесла при потреблении меньше ватта.

Что еще нужно доработать

Авторы признают: однородность поля внутри канала пока не идеальна. От нее зависит точность ЯМР-измерений. В планах — улучшить конструкцию и выйти на прямые измерения при полях выше 40 тесла. Патент уже подан. Но главное — принцип доказан: компактные сверхпроводящие магниты могут быть мощными, дешевыми и доступными.

Мой вывод: мир сильных полей больше не привязан к бетону и мегаваттам. Когда я вижу магнит, который помещается в карман и почти догоняет установку размером с дом, я понимаю — мы на пороге новой приборной революции. Ждем, когда технология выйдет из лаборатории.