(資料圖)
強磁場是支撐物理、化學(xué)、材料等領(lǐng)域前沿基礎(chǔ)研究的重要實驗條件,能夠影響物質(zhì)的電子態(tài)和量子化,進而探測特殊體系的奇異性質(zhì),且磁場強度越高,科學(xué)發(fā)現(xiàn)機遇越大?!吨袊茖W(xué)報》記者從華中科技大學(xué)獲悉,校國家脈沖強磁場科學(xué)中心韓小濤教授團隊在平頂脈沖強磁場核磁共振譜儀技術(shù)方面取得重要進展,相關(guān)成果近日以兩篇論文的形式,在線刊發(fā)在國際期刊《IEEE儀器與測量匯刊》上。
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“場路耦合-線性反饋”平頂脈沖強磁場。受訪者供圖
目前,國際上非破壞性脈沖磁體可實現(xiàn)的最高磁場已達100特斯拉(T),但由于其固有的時變性與暫態(tài)性,難以開展核磁共振(NMR)、比熱、I-V曲線等磁場需穩(wěn)定持續(xù)一定時長條件的高精度測量實驗,亟需發(fā)展新的強磁場技術(shù)。平頂脈沖磁場是一種特殊的時變磁場,兼具磁場強度高和穩(wěn)定度高的雙重優(yōu)點,使得以前只能在穩(wěn)態(tài)強磁場下的科學(xué)測試成為可能,也為強磁場科學(xué)研究提供了一種新的磁場環(huán)境。
以NMR為例,其在凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)以及醫(yī)學(xué)成像等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用,是解析微觀結(jié)構(gòu)的主要手段之一。脈沖強磁場核磁共振測量(PMF-NMR)技術(shù)具有脈沖強磁場物性調(diào)控能力和核磁共振原子級微觀探測能力,有望為發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、提出新原理和合成新材料帶來新的機遇,但現(xiàn)有PMF-NMR都是在變化磁場下開展的測量,存在場頻精確同步共振困難、信號譜線畸變嚴重、商用NMR譜儀難以滿足高頻寬帶應(yīng)用需求等問題,難以有效開展相應(yīng)科學(xué)研究。
在此背景下,韓小濤團隊依托脈沖強磁場實驗裝置,進一步發(fā)展了平頂脈沖強磁場技術(shù),在國際上率先提出平頂脈沖強磁場核磁共振譜儀方案(FTPMF-NMR),發(fā)明了“場路耦合-線性反饋”磁場波形調(diào)控方法,解決了脈沖強磁場非線性時變高穩(wěn)定度波形調(diào)控難題,成功實現(xiàn)了峰值45.199T、平頂持續(xù)時間8ms、平頂區(qū)間磁場波動±5mT(穩(wěn)定度約110ppm)的高穩(wěn)定度平頂脈沖磁場;團隊自主研制了NMR譜儀射頻鏈路關(guān)鍵器件與分層控制交互程序,實現(xiàn)收/發(fā)頻率1GHz、實時帶寬20MHz、雙端隔離度100dB的高頻寬帶模塊化NMR譜儀。
團隊在此基礎(chǔ)上搭建了相應(yīng)科學(xué)實驗平臺,并在40T平頂磁場下實現(xiàn)了93Nb核的NMR信號測量,為超強脈沖磁場下的NMR科學(xué)測量奠定了堅實基礎(chǔ)。FTPMF-NMR技術(shù)將為強磁場下前沿科學(xué)研究提供新的測試手段,支撐高溫超導(dǎo)機理、重費米子材料的量子臨界點、量子自旋系統(tǒng)的基態(tài)和相變等前沿基礎(chǔ)研究,對于解決相關(guān)領(lǐng)域重大科學(xué)問題具有重要意義。
近年來,依托脈沖強磁場實驗裝置,韓小濤團隊積極致力于平頂脈沖強磁場調(diào)控技術(shù)及其相關(guān)實驗測試系統(tǒng)研究,實現(xiàn)了23.370T/100ms/64ppm、45.199T/8ms/110ppm等平頂脈沖強磁場,并搭建了平頂脈沖強磁場下的NMR、I-V曲線等物性測量系統(tǒng),為相關(guān)前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究提供獨特實驗平臺。
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