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.

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.