“大国重器”稳态强磁场大科学装置：推动人类知识创新的“超级钥匙”

原文发表于《科技导报》2025年第5期《建好、用好大科学装置 积极推动人类知识创新—以稳态强磁场实验装置为例》

大科学装置是工程式大科学的主要载体，对于孕育前沿科学创新突破、取得重大原创成果、推动重大技术革新具有战略意义。《科技导报》邀请中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心学术主任匡光力等，深入探讨了大科学装置在推动人类知识创新进程中的核心作用，特别聚焦于稳态强磁场实验装置（SHMFF）这一实例，剖析了其在达成科学目标、驱动知识创新、促进产业升级、加强国际合作与交流以及吸引高端人才等多个维度上的显著贡献。让我们一起走进这一“国之重器”。

从历史的视角，现代知识创新的发展主要有两种方式：（1）小科学。由科学家个人或科学小组以追求科学真理为导向，自定问题、自由探索，经常会产生意想不到的结果，促发思想创新。这种方式是19世纪知识创新的主要方式，在现代知识创新体系中依然存在，如自然科学基金。（2）大科学，是一种全新的知识生产方式。相对于小科学，大科学具有科学目标宏大、资金和人员投入巨大且集中、多学科交叉融合等特征，包括工程式大科学和分布式大科学两类。这种方式是20世纪中叶以来知识创新发展的主要方式，其中大科学装置作为工程式大科学的主要载体，对于孕育前沿科学创新突破、取得重大原创成果、推动重大技术革新具有战略意义。立足于国内大科学装置的发展现状，我们以稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility，SHMFF）为典型案例，重点阐述大科学装置对于知识创新发展的重要作用。

1 大科学装置对知识创新的重要作用

1.1 大科学装置的定义、分类

直到今天，科学界对于大科学装置的定义一直在不断更新完善。基于大科学装置的外显特征，大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施。基于大科学装置的内涵，大科学装置是指为提升探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革的能力，通过国家统筹布局，依托高水平创新主体建设，面向社会开放共享的大型复杂的科学研究装置或系统，是长期为高水平研究活动提供服务、具有较大国际影响力的国家公共设施。按照建设目的及主要用途，大科学装置可分为3类：专用研究装置、应用型公共平台、公益性服务设施。

1.2 中国大科学装置发展现状

21世纪前，中国大科学装置主要用于专用研究和公益服务，布局不均衡、内容不全面；21世纪初到党的十八大期间，大科学装置建设紧跟国外已有大科学装置，聚焦世界科技前沿，主要用于多学科前沿研究，呈现均衡发展态势（其中SHMFF就是在这一时期瞄准多学科前沿研究对于强磁场极端条件的需求而建）；党的十八大以来，国务院明确中国未来大科学装置的重点发展方向，瞄准科技前沿研究和国家重大战略需求，均衡全面发展，服务于科技强国建设和可持续发展战略。“十一五”以来，中国大科学装置建设发展迅猛，在工程建设、技术创新、成果产出等方面成果显著，为中国科技进步、经济发展提供了重要支撑（如图1所示）。

图1 中国“十一五”以来各五年计划布局建设的大科学装置数量

目前中国大科学装置已经在运行的有65个，加上在建的与拟建的，总数超过100个。从空间布局上，分布较广，仅少数省市尚未参与建设或运行管理。中国科学院作为主要力量，目前已经建成并运行的大科学装置有23个，分布在13个城市。虽然中国大科学装置在数量上不亚于欧美发达国家，但布局较分散，先进性不足，多数仍处于追赶状态。未来，亟需瞄准国家重大需求，结合现有发展现状，布局引领性的大科学装置。

1.3 大科学装置成为支撑知识创新发展的重要平台

对于“新一轮科技革命在哪些领域发生”“基础科学的重大突破何时到来”等问题，科学界尚无定论，但全球科学家一致认为大科学装置是打开未来科技魔盒的钥匙。其创造的极端条件（强磁场、超高压、极低温等）是发现新现象、探索新规律、催生重大技术变革不可或缺的研究平台。

1）科学价值方面，大科学装置支撑前沿科学研究取得重大突破，推动人类知识创新。截至2023年底，SHMFF助力国内外用户发表论文2500余篇，其中Nature Index文章超过600篇，成为多学科前沿研究的关键创新平台。

2）产业应用方面，大科学装置为技术变革和产业升级提供强大新质生产力。SHMFF在建设和运行过程中形成的系列衍生技术和研究成果在高端装备、人工智能、精密测量、新材料研发以及药物研发领域具有重要应用价值。

3）国际合作与竞争方面，大科学装置是国际合作交流的重要载体与国家科技“名片”。全球5个稳态强磁场实验室（中、美、荷、法、日）广泛交流合作，共同推动全人类稳态强磁场下科学研究与磁体技术发展，同时激烈竞争，力争该领域的科技制高点。

4）人才集聚方面，大科学装置是高端人才的“磁石”和“孵化器”。2017年8月，8位哈佛博士后扎根合肥“科学岛”，他们选择回国，除了爱国之心，也源于这里SHMFF对科研的强大吸引力。

2 建好大科学装置是充分发挥其知识创新作用的重要条件

2.1 建设国际领先性能的大科学装置

建设国际领先性能的大科学装置并非易事。依赖从国外进口设备组装大装置看似是捷径，实则暗藏隐患，无法真正达到国际领先性能的目标，甚至可能陷入技术受制于人的被动局面。然而，自主研制不仅仅是对资源的巨大投入，更是一场对技术创新和突破的深刻挑战。这要求具备强大的研发能力，能不断推出新技术、新材料、新工艺，并在实践中不断验证和完善。同时，还要具备快速响应技术变革的能力，紧跟国际科技前沿，及时捕捉最新动态，将最新的科技成果转化为大科学装置的实际应用。

2.2 稳态强磁场实验装置的建设成就

“十一五”期间，国家发改委批准建设稳态强磁场大科学装置，由中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心承担建设和运行，中国科学技术大学参与共建。

1）SHMFF建设背景与历程。

作为现代知识创新最重要的极端条件之一，稳态强磁场对于催生原创科学突破意义重大。然而在2007年之前，中国没有自己的稳态强磁场实验条件，严重制约了多学科前沿研究创新。2008年5月SHMFF开工建设，2010年开启“边建设、边运行”模式，2017年9月27日通过国家验收。验收意见认为：建成的水冷磁体中有3台磁体的性能指标创世界纪录，强磁场水冷磁体技术达到世界领先水平。实现大型强磁场铌三锡超导磁体技术重大突破，达到国际一流水平。建成40 T稳态混合磁体，磁场强度世界第二。建成国际首创水冷磁体扫描隧道显微镜系统、组合显微镜系统等，使中国稳态强磁场实验条件达到国际领先水平。专家组一致认为：SHMFF磁体技术和综合性能达到国际领先水平。全面掌握高场磁体核心技术，产生尽可能高的磁场，为基础学科提供最好的实验条件，成为SHMFF在验收后的首要科学目标。

2）突破一批关键核心技术。

SHMFF是党的十八大以来建成的国家大科学装置之一。强磁场科学中心技术研究团队（以下简称“团队”）经过近10年的攻关，最终建成3类10台技术和综合性能均国际领先的磁体及6类20余种强磁场下实验表征系统，耦合极低温、超高压等极端实验条件，为揭示材料、物理、化学、生物等多学科前沿领域的自然规律，实现特殊功能材料制备和创新药物研发等技术变革提供了重要的极限实验条件。

在团队研制的10台磁体中，混合磁体和水冷磁体堪称标杆。目前由内“水冷磁体”和外“超导磁体”组合而成混合磁体是能够产生最高稳态磁场的磁体，其技术难度也是最高的。2016年，团队自主研制的40特斯拉（T）混合磁体（磁体孔径32mm），使我国成为世界第二个拥有40特斯拉级稳态磁场的国家。此后磁场强度不断刷新，2017年底提高至42.9 T，2019年达43.9 T。2022年8月，在合肥综合性国家科学中心预研项目支持下，团队全链条创新攻关，混合磁体（图2）在26.9兆瓦的电源功率下，稳定产生45.22 T稳态强磁场，刷新同类型磁体保持了23年的世界纪录，成为世界可开展科学研究的最高稳态磁场磁体。水冷磁体技术同样突出，三台水冷磁体分别以32 mm、50 mm、200 mm的磁体孔径，创造三项稳态磁场世界纪录。2024年9月，团队升级水冷磁体技术装备系统，32mm孔径水冷磁体（图3）以42.02 T稳态磁场打破美国2017年创造的41.4 T纪录，成为国际强磁场水冷磁体技术发展新的里程碑，助力我国稳态强磁场技术发展实现“大满贯”。这些技术成就不仅极大地提升了中国在强磁场科技领域的影响力和竞争力，也使中国的稳态强磁场技术和科学实验条件达到了国际领先水平。

图2 稳态强磁场实验装置混合磁体

图3 产生42.02 T稳态磁场的水冷磁体

3）产出一系列高水平成果。

自2010年起，SHMFF开启边建设、边运行的模式，吸引国内外高校、科研院所和企业数千名科研人员利用该装置开展前沿科学研究和技术攻关，在量子效应、超导机理、新材料探索、重大疾病病理以及创新药物研发等方面均取得进展。这些优秀成果使得SHMFF在同类装置中脱颖而出，其产出的重大科研成果跻身世界顶尖行列。截至2023年底，SHMFF运行超过60万机时，为国内外197家用户单位提供了实验条件，支撑物理、化学、材料、生物医药、工程技术等多学科前沿探索，发表论文2500篇，产出众多具有重大意义的原创成果。如率先在拓扑半金属砷化镉片中观测到新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。

4）催生一批新成果和新应用。

SHMFF积极发挥大科学装置“沿途下蛋”机制，强磁场科学中心依托装置衍生多项具有广泛应用前景的科技成果，并成功转化为现实生产力，为经济社会发展作出了积极贡献。例如：（1）扫描隧道显微成像技术。陆轻铀团队研制出国际首创的水冷磁体和混合磁体扫描隧道显微镜（STM），在高达27及30.1 T的超强磁场中，克服震动干扰，精准捕获原子级图像，为超高磁场下凝聚态物质研究筑牢基础。（2）国家Ⅰ类创新靶向药物研制。刘青松团队依托SHMFF，运用核磁共振波谱学等手段解析药物溶液结构，经蛋白质工程改造优化，研制出具有更高生物活性和稳定性的国家I类创新靶向药物。（3）非酒精性脂肪肝炎及糖尿病的治疗药物研发。王俊峰团队开展与重大疾病相关生物大分子结构生物学及应用研究，其研制的新一代肝泌素产品，热稳定性和体内半衰期大幅提升，药效优于已上市同类药物，有望在完成临床转化后用于非酒精性脂肪肝炎、肥胖及糖尿病等慢性代谢性疾病治疗。这些成果不仅体现了SHMFF在物质科学研究领域的强大实力，也展示了其在知识创新方面的巨大潜力。

3 用好大科学装置是推动知识创新的坚实保障

3.1 围绕大科学装置的科学目标搭建配套实验测量系统

作为打开未来科技魔盒的钥匙，大科学装置除了创造极端实验条件，还需搭建配套实验测量系统。SHMFF在设计之初就瞄准量子物理、高温超导、脑科学等世界前沿科学问题，建设了电输运、磁共振、磁性、探针显微、光谱学和材料合成6类20余种先进测量系统，助力用户在新奇量子效应、超导机理、新材料探索、催化机制、重大疾病病理及药物研发等方面取得系列重要原创成果。在材料研究领域，浙江大学郑毅团队利用SHMFF极低温强磁场输运测试系统，首次在黑砷中实现自旋高速精准控制，发现新奇量子霍尔态。该工作发表于

Nature

Cell

3.2 聚焦国家战略需求，组织科研用户开展建制化科研攻关，促进系统性知识创新

为充分发挥大科学装置优势、凝聚全国相关科技力量协同攻关、促进重大成果产出，各级主管部门均针对大科学装置建制化科研攻关设立相应科研项目，如大科学装置前沿研究重点专项、大科学装置联合基金等。

大科学装置前沿研究重点专项主要支持基于中国在物质结构研究领域的2类大科学装置开展前沿研究：专用大科学装置，以及为多学科交叉前沿研究提供手段的平台型装置。

大科学装置联合基金由国家自然科学基金委员会和中国科学院于2009年初设立，充分发挥国家自然科学基金遴选与管理的优势，集聚全国科研力量，充分发挥大科学装置平台效能，服务国家战略需求。如依托SHMFF，田明亮团队发现一类三重简并拓扑半金属材料——三角结构的PtBi2，对促进人们认识电子拓扑物态，发现新奇物理现象，开发新型电子器件以及深入理解基本粒子性质具有重要意义；王俊峰团队联合国外研究机构利用SHMFF设计出新型光控元件蛋白cpLOV2，拓展了LOV2系列蛋白在光遗传学工程中的应用。2012-2019年，32所高校和科研院所的科研团队依托SHMFF获得大科学装置联合基金项目104项，促进了SHMFF开放共享与科技效益发挥。

4 利用大科学装置促进国际科学研究合作和学术交流

1）提供合作平台，推动知识创新。

自2017年正式向全球开放，SHMFF收到来自多国的申请，并批准了部分申请，展现中国科学家与国际科学界携手合作的理念。通过SHMFF，多个国际合作团队在动物磁感应、生物导航、二维层状单晶超导体等领域取得重大突破。生命科学领域，强磁场科学中心依托SHMFF成立国际磁生物学前沿研究中心，汇聚中、美、英、法、俄等七国的18位科学家，聚焦磁效应、磁感应和磁技术三大方向，探索磁生物学的未知领域。在此支持下，磁生物学研究团队与英国牛津大学、德国奥登堡大学组成国际合作研究团队，揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理，该工作2021年发表于

Nature

Nature Physics

Nature Materials

2）共享资源与技术，提高资源利用效率。

大科学装置的建设和运行需要巨额资金和技术支持。国际合作可以共享资源技术，降低成本、提高效率，还能借鉴国际先进经验和技术成果，降低风险，推动中国大科学装置建设不断取得新的突破。SHMFF在建设期间，与美、法、荷等国的强磁场实验室进行了深入的技术交流和合作，吸收国际先进经验与成果，提升了我国在大科学装置建设领域的国际竞争力。

3）促进学术交流与人才流动。

大科学装置是科研合作与学术交流的重要平台。强磁场科学中心依托SHMFF，与全球多个国家和地区的科研机构建立合作关系，开展前沿科学研究。通过举办国际咨询委员会会议、国际磁科学会议、材料磁光研讨会等学术活动，提升我国科学家的专业素养和技术水平；以高端学术论坛为媒介，邀请国际知名科学家来华讲学，促进思想交流，激发创新灵感；组织本土科学家参加国际磁体技术大会等活动，分享我国磁体技术研究成果。通过“请进来”与“走出去”双向互动，加速知识创新与技术突破，提高科研资源利用效率，促进人才跨国流动与科研全球化进程。

5 结论

SHMFF的典型案例，彰显了大科学装置在达成科学目标、激发知识创新、驱动产业升级、促进国际合作等方面的不可替代作用，深刻揭示了建设、运行及高效利用大科学装置的重要性与紧迫性。尽管中国在该领域已取得一定成绩，但在设施布局优化与性能先进性方面，仍有较大提升空间，亟待我们持续努力，更好地发挥“国之重器”推动科技创新的核心作用。

本文作者：匡光力、黄杏洁、汪文强

作者简介：匡光力，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心，研究员，研究方向为强磁场科学技术。

文章来源：匡光力, 黄杏洁, 汪文强. 建好、用好大科学装置 积极推动人类知识创新—以稳态强磁场实验装置为例[J]. 科技导报, 2025, 43(5): 26-36 .

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