Введение
Национальная лаборатория высокого магнитного поля (англ. National High Magnetic Field Laboratory, MagLab) — это научно-исследовательский центр при Университете штата Флорида, Университете Флориды и Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, проводящий исследования в области магнитного поля для физики, биологии, биоинженерии, химии, геохимии и биохимии. Это единственное подобное учреждение в США и одно из двенадцати высокомагнитных исследовательских центров в мире. Лаборатория финансируется Национальным научным фондом и штатом Флорида, а также сотрудничает с частными компаниями. Лаборатория владеет несколькими мировыми рекордами по созданию самых мощных магнитов, включая рекорд самого высокого магнитного поля — 45,5 Тесла. В ходе серии испытаний, проведенных инженерами и учеными MagLab 15 ноября 2016 года, серийно-соединенный гибридный (SCH) магнит достиг полного поля в 36 Тесла и установил новый рекорд для экспериментов по ядерному магнитному резонансу.
The National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) is a facility at Florida State University, the University of Florida, and Los Alamos National Laboratory in New Mexico, that performs magnetic field research in physics, biology, bioengineering, chemistry, geochemistry, biochemistry. It is the only such facility in the US, and is among twelve high magnetic facilities worldwide. The lab is supported by the National Science Foundation and the state of Florida, and works in collaboration with private industry. The lab holds several world records for the world's strongest magnets, including highest magnetic field of 45.5 Tesla. For nuclear magnetic resonance spectroscopy experiments, its series connected hybrid (SCH) magnet broke the record during a series of tests conducted by MagLab engineers and scientists on 15 November 2016, reaching its full field of 36 Tesla.
Предложение и присуждение
В 1989 году Университет штата Флорида (FSU), Лос-Аламская национальная лаборатория и Университет Флориды представили Национальному научному фонду (NSF) предложение о создании новой национальной лаборатории для поддержки междисциплинарных исследований в области высоких магнитных полей. План предусматривал федерально-штатное партнерство, призванное обеспечить поддержку исследований, связанных с магнитами, научного и технического образования, а также сотрудничество с промышленными предприятиями. Целью было поддержание конкурентоспособности США в области исследований и разработок в области магнитов. После проведения конкурсного отбора с привлечением экспертов, NSF одобрил предложение консорциума, возглавляемого FSU.
Конкурирующее предложение MIT
В конкурирующем предложении, представленном в NSF, Массачусетский технологический институт (MIT) совместно с Университетом Айовы, Университетом Висконсина–Мэдисон, Брукхейвенской национальной лабораторией и Аргоннской национальной лабораторией предложили модернизировать существующую лабораторию "Франсис Биттер Магнит" мирового класса при MIT. 5 сентября 1990 года исследователи из MIT обратились к 21 члену Национального научного совета (ННС) с просьбой "пересмотреть и повторно рассмотреть" их решение. Поскольку на кону стояло 60 миллионов долларов в виде гранта NSF, MIT заявил, что в случае отклонения апелляции будет поэтапно закрывать лабораторию Франсиса Биттера – это был бы первый подобный случай в истории NSF. 18 сентября 1990 года просьба была отклонена.
Ранние годы
Первые годы работы лаборатории были посвящены созданию инфраструктуры, строительству комплекса и привлечению преподавательского состава. Комплекс в Таллахасси был торжественно открыт 1 октября 1994 года в присутствии большой аудитории, а ключевым спикером выступил вице-президент Эл Гор.
Образование и информирование общественности
Национальная МагЛаб содействует развитию научного образования и поддерживает преподавателей естественных наук, инженерии и технологий через свой Центр интеграции исследований и обучения. Программы включают в себя менторство в междисциплинарной учебной среде. Через «Академию магнитов» веб-сайт лаборатории предоставляет образовательные материалы по электричеству и магнетизму. Национальная МагЛаб также проводит ежемесячные экскурсии, открытые для публики, и ежегодный день открытых дверей, который посещают около 10 000 человек. Для местных школ также доступны специальные экскурсии и просветительские мероприятия. В интервью для Skepticality доктор Скотт Ханнахс сказал: «Если вы приедете в третью субботу февраля, я думаю, у нас будет день открытых дверей, где мы покажем катушки Теслы, выпускающие искры, будем плавить камни в геохимической лаборатории, измерять скорость звука, продемонстрируем лазеры и пушки, стреляющие картофелем, и вообще покажем множество вещей, иллюстрирующих простые научные принципы. Мы собираемся вместе, и около 5000 человек приходят, чтобы осмотреть физическую лабораторию, что само по себе удивительно».
Программы Университета штата Флорида
Лаборатория Таллахасси при Университете штата Флорида – это комплекс, в котором работает около 300 преподавателей, сотрудников, аспирантов и постдокторантов. Директор лаборатории – физик Грегори Скотт Бобингер. Ведущий научный сотрудник – Лора Грин.
Программа поля постоянного тока
В комплексе расположены 14 резистивных магнитных ячеек, подключенных к источнику питания постоянного тока мощностью 48 мегаватт, а также оборудование для охлаждения, предназначенное для отвода тепла, выделяемого магнитами. В комплексе размещены несколько магнитов, включая 45-Тесла гибридный магнит, сочетающий в себе резистивные и сверхпроводящие компоненты. Лабораторный 41,4-Тесла резистивный магнит является самым мощным в мире резистивным магнитом с постоянным полем, а 25-Тесла магнит Кека обладает наивысшей однородностью среди всех резистивных магнитов.
Спектроскопия и визуализация МРТ
Эта программа предназначена для широкого круга пользователей в области спектроскопии ЯМР в растворах и твердых телах, МРТ и измерений диффузии при высоких магнитных полях. Лаборатория разрабатывает технологии, методики и приложения для работы при высоких магнитных полях как в рамках собственных исследований, так и для внешних пользователей. Собственноручно изготовленный ЯМР-магнит частотой 900 МГц (21,1 Тесла) имеет ультраширокий просвет диаметром 105 мм (около 4 дюймов). Этот сверхпроводящий магнит обладает самым высоким полем для проведения МРТ-исследований на живых животных.
Ионный циклотронный резонанс
Программа резонансной масс-спектрометрии ионного циклотрона с преобразованием Фурье занимается разработкой приборов и методик, а также применением FT ICR масс-спектрометрии. Под руководством директора Алана Г. Маршалла программа непрерывно совершенствует методики, приборы и области применения FT ICR масс-спектрометрии. В составе программы имеется несколько приборов, включая систему с магнитным полем 14,5 Тесла и диаметром отверстия 104 мм.
Магнитный резонанс электронов
Наиболее распространенной формой ЭМР является электронный парамагнитный/спиновый резонанс (ЭПР/ЭСР). В экспериментах ЭПР наблюдаются переходы между подуровнями mS электронного спинового состояния S, расщепленными приложенным магнитным полем, а также взаимодействиями тонкой структуры и гипертонким взаимодействием электрона с ядром. Этот метод находит применение в химии, биохимии, биологии, физике и материаловедении.
Наука и технология магнитов
Отдел науки и технологий магнитов отвечает за разработку технологий и компетенций в области магнитных систем. Эти проекты включают в себя создание передовых магнитных систем для площадок в Таллахасси и Лос-Аламосе, сотрудничество с промышленностью для развития технологий, повышающих возможности производства магнитов высокого поля, а также совершенствование магнитных систем высокого поля посредством научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Кроме того, в штаб-квартире лаборатории при Университете штата Флорида Центр прикладной сверхпроводимости продвигает науку и технологии сверхпроводимости как для низкотемпературных материалов на основе ниобия, так и для высокотемпературных материалов на основе купратов или MgB2. Центр занимается разработкой сверхпроводников для магнитов, используемых в термоядерном синтезе, физике высоких энергий, магнитно-резонансной томографии, линиях электропередачи и трансформаторах.
Внутренние исследования
В рамках внутренней исследовательской программы используются ресурсы MagLab для проведения исследований в сильных магнитных полях в области науки и техники, а также для развития программ для пользователей лаборатории посредством разработки новых методик и оборудования.
Группа конденсированных веществ
Ученые группы конденсированного состояния вещества сосредоточены на различных аспектах физики конденсированного состояния, включая изучение и проведение экспериментов в области магнетизма, квантового эффекта Холла, квантовых осцилляций, высокотемпературной сверхпроводимости и систем тяжелых фермионов.
Программа геохимии
Исследовательская программа в области геохимии базируется на использовании микроэлементов и изотопов для понимания земных процессов и окружающей среды. Спектр исследовательских интересов охватывает широкий диапазон – от химической эволюции Земли и Солнечной системы на протяжении времени до локальных задач, связанных с источниками и переносом экологически значимых веществ. Исследования, проводимые геохимическим отделом, охватывают как земные, так и внеземные вопросы и включают в себя наземные и морские экспедиции, а также космические миссии. Совместно с факультетами химии и океанографии университета, геохимия запустила программу по биогеохимической динамике.
Другие программы
Другие направления исследований включают криогенику, оптическую микроскопию, квантовые материалы и резонансную ультразвуковую спектроскопию. В лаборатории также работает группа исследователей материалов, изучающая новые способы создания высокопрочных магнитных материалов из более доступных и дешевых элементов. Эта исследовательская группа является мировым лидером в комплексном изучении квантовых жидкостей и твердых тел по широте охвата и применению низкотемпературных методов (термометрии, ЯМР, ультразвука, теплоемкости, охлаждения образцов).
Усовершенствованная магнитно-резонансная томография и спектроскопия
Программа передовой магнитно-резонансной томографии и спектроскопии включает в себя оборудование для НМР и МРТ программ Mag Lab, дополняющее оборудование в штаб-квартире лаборатории в Таллахасси. Программа расположена в Институте мозга Макнайта Университета Флориды. В их оснащение входит 600-мегагерцевый НМР-магнит с трехрезонансным зондом 1,5 мм и высокотемпературным сверхпроводящим зондом, обеспечивающим наивысшую в мире масс-чувствительность, оптимизированную для 13C.