Впервые миниатюрный магнит по силе соперничает с гигантами

Фото из открытых источников

Магнит, достаточно маленький, чтобы поместиться на ладони, впервые может сравниться по силе с некоторыми из самых мощных магнитов в мире. Новое исследование было опубликовано в журнале Science Advances.

Сильные магниты играют множество ролей в науке и технике, находя применение во всем, от МРТ-сканирования и ускорителей частиц до термоядерного синтеза. Самые мощные из них изготавливаются из сверхпроводников — материалов, проводящих электричество с почти идеальной эффективностью.

Но сверхпроводящие магниты, создающие сильные магнитные поля, часто бывают громоздкими: меньшие обычно размером с робота R2D2 из «Звездных войн», а самые большие сравнимы с двухэтажным зданием, говорит Александр Барнс из ETH Zurich в Швейцарии.

Он и его коллеги создали сверхпроводящий магнит, который по силе не уступает этим большим магнитам, но имеет диаметр всего 3,1 миллиметра. Они создали его, свернув тонкую ленту из керамического материала REBCO, который становится сверхпроводящим при охлаждении до чрезвычайно низких температур. Эти катушки создают магнитные поля при прохождении через них электрического тока.

Команда приобрела ленту REBCO у коммерческой компании, а затем приступила к поиску оптимальной конструкции магнита, что включало изготовление и тестирование более 150 таких устройств, говорит Барнс. «Наша стратегия заключалась в разработке и применении подхода «часто и быстро ошибаться»».

В конечном итоге они остановились на конструкции, включающей две или четыре плоские катушки из REBCO, способные создавать магнитные поля силой 38 Тесла и 42 Тесла соответственно. Для сравнения, магнит на холодильнике обычно имеет напряженность магнитного поля менее 0,01 Тесла. Два магнита, которые в настоящее время создают самые сильные в мире стабильные магнитные поля, достигают около 45 Тесла, весят много тонн и потребляют до 30 мегаватт энергии. Магнит Барнса и его команды меньше ладони и потребляет менее 1 ватта энергии.

Барнс говорит, что их конечная цель — использовать этот магнит для ядерного магнитного резонанса (ЯМР), экспериментального метода, использующего магнитные поля для определения структуры молекул, таких как лекарства и катализаторы для промышленных процессов. По его мнению, этому мощному методу препятствуют большие размеры и высокая стоимость магнитов, но исследователи надеются сделать его доступным для большего числа химиков. Команда уже начала тестирование магнита в установке ЯМР, говорит Барнс.

«Создание магнитных полей выше 40 Тесла традиционно требует очень больших и дорогостоящих установок, поэтому достижение аналогичной напряженности поля в таком компактном устройстве с использованием сверхпроводящих лент имеет большое значение», — говорит Марк Эйнсли из Королевского колледжа Лондона. «Это говорит о том, что магниты с чрезвычайно сильным полем могут стать более доступными для более широкого круга лабораторий в ближайшем будущем».

Но остаются вопросы, прежде чем магнит сможет получить широкое распространение — например, насколько однородным может быть магнитное поле и как можно управлять и контролировать электромагнитное поведение этих катушек, говорит он.