Магнит с размерите на длан генерира поле от 42 Tesla: Рекорд в компактната физика

Учени от ETH Цюрих създадоха миниатюрен свръхпроводящ магнит, способен да генерира поле с мощност над 42 тесла, като устройството се побира в дланта на ръката и консумира по-малко от 1 W енергия. Разработката може да направи експериментите с изключително силни магнитни полета, които досега бяха ограничени до големите национални лаборатории, по-достъпни за университетските и медицинските изследователски центрове.

Обикновено за генериране на магнитни полета над 40 тесла се използват сложни лабораторни системи с размери на стая, които консумират мегавати енергия. Новата разработка на учените драстично променя ситуацията – компактният магнит работи с по-малко от 1 W и въпреки това осигурява поле, сравнимо с най-големите експериментални съоръжения.

Екипът е създал две версии на устройството, базирани на високотемпературни свръхпроводници, изработени от лента от сплав на редкоземни бариеви медни оксиди (REBCO). Единият магнит, състоящ се от две намотки, е постигнал поле от 38 тесла, докато вторият, съставен от четири намотки, е постигнал рекордните 42,3 тесла.

За сравнение, стандартните медицински скенери за магнитно-резонансна томография работят с поле от едва 1,5-3 тесла.

Предишният рекорд за високотемпературни свръхпроводникови магнити беше около 26 тесла, а един от най-мощните стационарни магнити в света е съоръжение с мощност 45,5 тесла в Националната лаборатория за силни магнитни полета на САЩ. Съоръжението се нуждае от повече от 20 MW мощност и сложна инфраструктура. Магнитът на ETH Цюрих използва хиляди пъти по-малко енергия, а обемът на намотката му е повече от 1000 пъти по-малък.

Основното инженерно предизвикателство е било навиването на свръхпроводимата лента върху изключително малък отвор с диаметър само 3,1 милиметра. Обикновено тези материали не могат да бъдат огънати до радиус, по-малък от 14 милиметра, в противен случай свръхпроводимият слой се напуква. Учените са разработили нова техника за навиване, която премества точката на свързване на намотката извън отвора и запазва целостта на материала.

Освен това в магнитите се използва техника за навиване без изолация, съчетана със запояване по цялата дължина на намотката. Този подход увеличава механичната здравина на структурата и позволява протичането на по-голям ток през нея. В резултат на това изследователите са успели да постигнат плътност на тока до 2257 ампера на квадратен милиметър, което е значително повече от повечето големи свръхпроводящи системи.

Компактният магнит вече е използван в експерименти с ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) в канал с диаметър 3,1 mm. По-силните магнитни полета увеличават чувствителността на този метод, който се използва за изследване на молекулярната структура на веществата.

За експерименти с полета над 28 тесла учените обикновено се обръщат към големите национални лаборатории. Миниатюрните магнити могат да направят тези изследвания много по-достъпни за университетите и медицинските центрове. В бъдеще екипът възнамерява да подобри равномерността на магнитното поле и да провежда ЯМР експерименти при полета над 40 тесла. Вече е подадена заявка за патент за новата технология.