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原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025年第5期《建好、用好大科學(xué)裝置 積極推動人類知識創(chuàng)新—以穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置為例》

大科學(xué)裝置是工程式大科學(xué)的主要載體，對于孕育前沿科學(xué)創(chuàng)新突破、取得重大原創(chuàng)成果、推動重大技術(shù)革新具有戰(zhàn)略意義?！犊萍紝?dǎo)報》邀請中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力等，深入探討了大科學(xué)裝置在推動人類知識創(chuàng)新進程中的核心作用，特別聚焦于穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（SHMFF）這一實例，剖析了其在達成科學(xué)目標、驅(qū)動知識創(chuàng)新、促進產(chǎn)業(yè)升級、加強國際合作與交流以及吸引高端人才等多個維度上的顯著貢獻。讓我們一起走進這一“國之重器”。

從歷史的視角，現(xiàn)代知識創(chuàng)新的發(fā)展主要有兩種方式：（1）小科學(xué)。由科學(xué)家個人或科學(xué)小組以追求科學(xué)真理為導(dǎo)向，自定問題、自由探索，經(jīng)常會產(chǎn)生意想不到的結(jié)果，促發(fā)思想創(chuàng)新。這種方式是19世紀知識創(chuàng)新的主要方式，在現(xiàn)代知識創(chuàng)新體系中依然存在，如自然科學(xué)基金。（2）大科學(xué)，是一種全新的知識生產(chǎn)方式。相對于小科學(xué)，大科學(xué)具有科學(xué)目標宏大、資金和人員投入巨大且集中、多學(xué)科交叉融合等特征，包括工程式大科學(xué)和分布式大科學(xué)兩類。這種方式是20世紀中葉以來知識創(chuàng)新發(fā)展的主要方式，其中大科學(xué)裝置作為工程式大科學(xué)的主要載體，對于孕育前沿科學(xué)創(chuàng)新突破、取得重大原創(chuàng)成果、推動重大技術(shù)革新具有戰(zhàn)略意義。立足于國內(nèi)大科學(xué)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，我們以穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（Steady High Magnetic Field Facility，SHMFF）為典型案例，重點闡述大科學(xué)裝置對于知識創(chuàng)新發(fā)展的重要作用。

1 大科學(xué)裝置對知識創(chuàng)新的重要作用

1.1 大科學(xué)裝置的定義、分類

直到今天，科學(xué)界對于大科學(xué)裝置的定義一直在不斷更新完善?；诖罂茖W(xué)裝置的外顯特征，大科學(xué)裝置是指通過較大規(guī)模投入和工程建設(shè)來完成，建成后通過長期的穩(wěn)定運行和持續(xù)的科學(xué)技術(shù)活動，實現(xiàn)重要科學(xué)技術(shù)目標的大型設(shè)施?；诖罂茖W(xué)裝置的內(nèi)涵，大科學(xué)裝置是指為提升探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實現(xiàn)科技變革的能力，通過國家統(tǒng)籌布局，依托高水平創(chuàng)新主體建設(shè)，面向社會開放共享的大型復(fù)雜的科學(xué)研究裝置或系統(tǒng)，是長期為高水平研究活動提供服務(wù)、具有較大國際影響力的國家公共設(shè)施。按照建設(shè)目的及主要用途，大科學(xué)裝置可分為3類：專用研究裝置、應(yīng)用型公共平臺、公益性服務(wù)設(shè)施。

1.2 中國大科學(xué)裝置發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀前，中國大科學(xué)裝置主要用于專用研究和公益服務(wù)，布局不均衡、內(nèi)容不全面；21世紀初到黨的十八大期間，大科學(xué)裝置建設(shè)緊跟國外已有大科學(xué)裝置，聚焦世界科技前沿，主要用于多學(xué)科前沿研究，呈現(xiàn)均衡發(fā)展態(tài)勢（其中SHMFF就是在這一時期瞄準多學(xué)科前沿研究對于強磁場極端條件的需求而建）；黨的十八大以來，國務(wù)院明確中國未來大科學(xué)裝置的重點發(fā)展方向，瞄準科技前沿研究和國家重大戰(zhàn)略需求，均衡全面發(fā)展，服務(wù)于科技強國建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略?！笆晃濉币詠?，中國大科學(xué)裝置建設(shè)發(fā)展迅猛，在工程建設(shè)、技術(shù)創(chuàng)新、成果產(chǎn)出等方面成果顯著，為中國科技進步、經(jīng)濟發(fā)展提供了重要支撐（如圖1所示）。

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圖1 中國“十一五”以來各五年計劃布局建設(shè)的大科學(xué)裝置數(shù)量

目前中國大科學(xué)裝置已經(jīng)在運行的有65個，加上在建的與擬建的，總數(shù)超過100個。從空間布局上，分布較廣，僅少數(shù)省市尚未參與建設(shè)或運行管理。中國科學(xué)院作為主要力量，目前已經(jīng)建成并運行的大科學(xué)裝置有23個，分布在13個城市。雖然中國大科學(xué)裝置在數(shù)量上不亞于歐美發(fā)達國家，但布局較分散，先進性不足，多數(shù)仍處于追趕狀態(tài)。未來，亟需瞄準國家重大需求，結(jié)合現(xiàn)有發(fā)展現(xiàn)狀，布局引領(lǐng)性的大科學(xué)裝置。

1.3 大科學(xué)裝置成為支撐知識創(chuàng)新發(fā)展的重要平臺

對于“新一輪科技革命在哪些領(lǐng)域發(fā)生”“基礎(chǔ)科學(xué)的重大突破何時到來”等問題，科學(xué)界尚無定論，但全球科學(xué)家一致認為大科學(xué)裝置是打開未來科技魔盒的鑰匙。其創(chuàng)造的極端條件（強磁場、超高壓、極低溫等）是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探索新規(guī)律、催生重大技術(shù)變革不可或缺的研究平臺。

1）科學(xué)價值方面，大科學(xué)裝置支撐前沿科學(xué)研究取得重大突破，推動人類知識創(chuàng)新。截至2023年底，SHMFF助力國內(nèi)外用戶發(fā)表論文2500余篇，其中Nature Index文章超過600篇，成為多學(xué)科前沿研究的關(guān)鍵創(chuàng)新平臺。

2）產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，大科學(xué)裝置為技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級提供強大新質(zhì)生產(chǎn)力。SHMFF在建設(shè)和運行過程中形成的系列衍生技術(shù)和研究成果在高端裝備、人工智能、精密測量、新材料研發(fā)以及藥物研發(fā)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

3）國際合作與競爭方面，大科學(xué)裝置是國際合作交流的重要載體與國家科技“名片”。全球5個穩(wěn)態(tài)強磁場實驗室（中、美、荷、法、日）廣泛交流合作，共同推動全人類穩(wěn)態(tài)強磁場下科學(xué)研究與磁體技術(shù)發(fā)展，同時激烈競爭，力爭該領(lǐng)域的科技制高點。

4）人才集聚方面，大科學(xué)裝置是高端人才的“磁石”和“孵化器”。2017年8月，8位哈佛博士后扎根合肥“科學(xué)島”，他們選擇回國，除了愛國之心，也源于這里SHMFF對科研的強大吸引力。

2 建好大科學(xué)裝置是充分發(fā)揮其知識創(chuàng)新作用的重要條件

2.1 建設(shè)國際領(lǐng)先性能的大科學(xué)裝置

建設(shè)國際領(lǐng)先性能的大科學(xué)裝置并非易事。依賴從國外進口設(shè)備組裝大裝置看似是捷徑，實則暗藏隱患，無法真正達到國際領(lǐng)先性能的目標，甚至可能陷入技術(shù)受制于人的被動局面。然而，自主研制不僅僅是對資源的巨大投入，更是一場對技術(shù)創(chuàng)新和突破的深刻挑戰(zhàn)。這要求具備強大的研發(fā)能力，能不斷推出新技術(shù)、新材料、新工藝，并在實踐中不斷驗證和完善。同時，還要具備快速響應(yīng)技術(shù)變革的能力，緊跟國際科技前沿，及時捕捉最新動態(tài)，將最新的科技成果轉(zhuǎn)化為大科學(xué)裝置的實際應(yīng)用。

2.2 穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的建設(shè)成就

“十一五”期間，國家發(fā)改委批準建設(shè)穩(wěn)態(tài)強磁場大科學(xué)裝置，由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心承擔(dān)建設(shè)和運行，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)參與共建。

1）SHMFF建設(shè)背景與歷程。

作為現(xiàn)代知識創(chuàng)新最重要的極端條件之一，穩(wěn)態(tài)強磁場對于催生原創(chuàng)科學(xué)突破意義重大。然而在2007年之前，中國沒有自己的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件，嚴重制約了多學(xué)科前沿研究創(chuàng)新。2008年5月SHMFF開工建設(shè)，2010年開啟“邊建設(shè)、邊運行”模式，2017年9月27日通過國家驗收。驗收意見認為：建成的水冷磁體中有3臺磁體的性能指標創(chuàng)世界紀錄，強磁場水冷磁體技術(shù)達到世界領(lǐng)先水平。實現(xiàn)大型強磁場鈮三錫超導(dǎo)磁體技術(shù)重大突破，達到國際一流水平。建成40 T穩(wěn)態(tài)混合磁體，磁場強度世界第二。建成國際首創(chuàng)水冷磁體掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)、組合顯微鏡系統(tǒng)等，使中國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗條件達到國際領(lǐng)先水平。專家組一致認為：SHMFF磁體技術(shù)和綜合性能達到國際領(lǐng)先水平。全面掌握高場磁體核心技術(shù)，產(chǎn)生盡可能高的磁場，為基礎(chǔ)學(xué)科提供最好的實驗條件，成為SHMFF在驗收后的首要科學(xué)目標。

2）突破一批關(guān)鍵核心技術(shù)。

SHMFF是黨的十八大以來建成的國家大科學(xué)裝置之一。強磁場科學(xué)中心技術(shù)研究團隊（以下簡稱“團隊”）經(jīng)過近10年的攻關(guān)，最終建成3類10臺技術(shù)和綜合性能均國際領(lǐng)先的磁體及6類20余種強磁場下實驗表征系統(tǒng)，耦合極低溫、超高壓等極端實驗條件，為揭示材料、物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科前沿領(lǐng)域的自然規(guī)律，實現(xiàn)特殊功能材料制備和創(chuàng)新藥物研發(fā)等技術(shù)變革提供了重要的極限實驗條件。

在團隊研制的10臺磁體中，混合磁體和水冷磁體堪稱標桿。目前由內(nèi)“水冷磁體”和外“超導(dǎo)磁體”組合而成混合磁體是能夠產(chǎn)生最高穩(wěn)態(tài)磁場的磁體，其技術(shù)難度也是最高的。2016年，團隊自主研制的40特斯拉（T）混合磁體（磁體孔徑32mm），使我國成為世界第二個擁有40特斯拉級穩(wěn)態(tài)磁場的國家。此后磁場強度不斷刷新，2017年底提高至42.9 T，2019年達43.9 T。2022年8月，在合肥綜合性國家科學(xué)中心預(yù)研項目支持下，團隊全鏈條創(chuàng)新攻關(guān)，混合磁體（圖2）在26.9兆瓦的電源功率下，穩(wěn)定產(chǎn)生45.22 T穩(wěn)態(tài)強磁場，刷新同類型磁體保持了23年的世界紀錄，成為世界可開展科學(xué)研究的最高穩(wěn)態(tài)磁場磁體。水冷磁體技術(shù)同樣突出，三臺水冷磁體分別以32 mm、50 mm、200 mm的磁體孔徑，創(chuàng)造三項穩(wěn)態(tài)磁場世界紀錄。2024年9月，團隊升級水冷磁體技術(shù)裝備系統(tǒng)，32mm孔徑水冷磁體（圖3）以42.02 T穩(wěn)態(tài)磁場打破美國2017年創(chuàng)造的41.4 T紀錄，成為國際強磁場水冷磁體技術(shù)發(fā)展新的里程碑，助力我國穩(wěn)態(tài)強磁場技術(shù)發(fā)展實現(xiàn)“大滿貫”。這些技術(shù)成就不僅極大地提升了中國在強磁場科技領(lǐng)域的影響力和競爭力，也使中國的穩(wěn)態(tài)強磁場技術(shù)和科學(xué)實驗條件達到了國際領(lǐng)先水平。

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圖2 穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置混合磁體

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圖3 產(chǎn)生42.02 T穩(wěn)態(tài)磁場的水冷磁體

3）產(chǎn)出一系列高水平成果。

自2010年起，SHMFF開啟邊建設(shè)、邊運行的模式，吸引國內(nèi)外高校、科研院所和企業(yè)數(shù)千名科研人員利用該裝置開展前沿科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)，在量子效應(yīng)、超導(dǎo)機理、新材料探索、重大疾病病理以及創(chuàng)新藥物研發(fā)等方面均取得進展。這些優(yōu)秀成果使得SHMFF在同類裝置中脫穎而出，其產(chǎn)出的重大科研成果躋身世界頂尖行列。截至2023年底，SHMFF運行超過60萬機時，為國內(nèi)外197家用戶單位提供了實驗條件，支撐物理、化學(xué)、材料、生物醫(yī)藥、工程技術(shù)等多學(xué)科前沿探索，發(fā)表論文2500篇，產(chǎn)出眾多具有重大意義的原創(chuàng)成果。如率先在拓撲半金屬砷化鎘片中觀測到新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，邁出了量子霍爾效應(yīng)從二維到三維的關(guān)鍵一步。

4）催生一批新成果和新應(yīng)用。

SHMFF積極發(fā)揮大科學(xué)裝置“沿途下蛋”機制，強磁場科學(xué)中心依托裝置衍生多項具有廣泛應(yīng)用前景的科技成果，并成功轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，為經(jīng)濟社會發(fā)展作出了積極貢獻。例如：（1）掃描隧道顯微成像技術(shù)。陸輕鈾團隊研制出國際首創(chuàng)的水冷磁體和混合磁體掃描隧道顯微鏡（STM），在高達27及30.1 T的超強磁場中，克服震動干擾，精準捕獲原子級圖像，為超高磁場下凝聚態(tài)物質(zhì)研究筑牢基礎(chǔ)。（2）國家Ⅰ類創(chuàng)新靶向藥物研制。劉青松團隊依托SHMFF，運用核磁共振波譜學(xué)等手段解析藥物溶液結(jié)構(gòu)，經(jīng)蛋白質(zhì)工程改造優(yōu)化，研制出具有更高生物活性和穩(wěn)定性的國家I類創(chuàng)新靶向藥物。（3）非酒精性脂肪肝炎及糖尿病的治療藥物研發(fā)。王俊峰團隊開展與重大疾病相關(guān)生物大分子結(jié)構(gòu)生物學(xué)及應(yīng)用研究，其研制的新一代肝泌素產(chǎn)品，熱穩(wěn)定性和體內(nèi)半衰期大幅提升，藥效優(yōu)于已上市同類藥物，有望在完成臨床轉(zhuǎn)化后用于非酒精性脂肪肝炎、肥胖及糖尿病等慢性代謝性疾病治療。這些成果不僅體現(xiàn)了SHMFF在物質(zhì)科學(xué)研究領(lǐng)域的強大實力，也展示了其在知識創(chuàng)新方面的巨大潛力。

3 用好大科學(xué)裝置是推動知識創(chuàng)新的堅實保障

3.1 圍繞大科學(xué)裝置的科學(xué)目標搭建配套實驗測量系統(tǒng)

作為打開未來科技魔盒的鑰匙，大科學(xué)裝置除了創(chuàng)造極端實驗條件，還需搭建配套實驗測量系統(tǒng)。SHMFF在設(shè)計之初就瞄準量子物理、高溫超導(dǎo)、腦科學(xué)等世界前沿科學(xué)問題，建設(shè)了電輸運、磁共振、磁性、探針顯微、光譜學(xué)和材料合成6類20余種先進測量系統(tǒng)，助力用戶在新奇量子效應(yīng)、超導(dǎo)機理、新材料探索、催化機制、重大疾病病理及藥物研發(fā)等方面取得系列重要原創(chuàng)成果。在材料研究領(lǐng)域，浙江大學(xué)鄭毅團隊利用SHMFF極低溫強磁場輸運測試系統(tǒng)，首次在黑砷中實現(xiàn)自旋高速精準控制，發(fā)現(xiàn)新奇量子霍爾態(tài)。該工作發(fā)表于

Nature

Cell

3.2 聚焦國家戰(zhàn)略需求，組織科研用戶開展建制化科研攻關(guān)，促進系統(tǒng)性知識創(chuàng)新

為充分發(fā)揮大科學(xué)裝置優(yōu)勢、凝聚全國相關(guān)科技力量協(xié)同攻關(guān)、促進重大成果產(chǎn)出，各級主管部門均針對大科學(xué)裝置建制化科研攻關(guān)設(shè)立相應(yīng)科研項目，如大科學(xué)裝置前沿研究重點專項、大科學(xué)裝置聯(lián)合基金等。

大科學(xué)裝置前沿研究重點專項主要支持基于中國在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的2類大科學(xué)裝置開展前沿研究：專用大科學(xué)裝置，以及為多學(xué)科交叉前沿研究提供手段的平臺型裝置。

大科學(xué)裝置聯(lián)合基金由國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院于2009年初設(shè)立，充分發(fā)揮國家自然科學(xué)基金遴選與管理的優(yōu)勢，集聚全國科研力量，充分發(fā)揮大科學(xué)裝置平臺效能，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求。如依托SHMFF，田明亮團隊發(fā)現(xiàn)一類三重簡并拓撲半金屬材料——三角結(jié)構(gòu)的PtBi2，對促進人們認識電子拓撲物態(tài)，發(fā)現(xiàn)新奇物理現(xiàn)象，開發(fā)新型電子器件以及深入理解基本粒子性質(zhì)具有重要意義；王俊峰團隊聯(lián)合國外研究機構(gòu)利用SHMFF設(shè)計出新型光控元件蛋白cpLOV2，拓展了LOV2系列蛋白在光遺傳學(xué)工程中的應(yīng)用。2012-2019年，32所高校和科研院所的科研團隊依托SHMFF獲得大科學(xué)裝置聯(lián)合基金項目104項，促進了SHMFF開放共享與科技效益發(fā)揮。

4 利用大科學(xué)裝置促進國際科學(xué)研究合作和學(xué)術(shù)交流

1）提供合作平臺，推動知識創(chuàng)新。

自2017年正式向全球開放，SHMFF收到來自多國的申請，并批準了部分申請，展現(xiàn)中國科學(xué)家與國際科學(xué)界攜手合作的理念。通過SHMFF，多個國際合作團隊在動物磁感應(yīng)、生物導(dǎo)航、二維層狀單晶超導(dǎo)體等領(lǐng)域取得重大突破。生命科學(xué)領(lǐng)域，強磁場科學(xué)中心依托SHMFF成立國際磁生物學(xué)前沿研究中心，匯聚中、美、英、法、俄等七國的18位科學(xué)家，聚焦磁效應(yīng)、磁感應(yīng)和磁技術(shù)三大方向，探索磁生物學(xué)的未知領(lǐng)域。在此支持下，磁生物學(xué)研究團隊與英國牛津大學(xué)、德國奧登堡大學(xué)組成國際合作研究團隊，揭示了遷徙鳥類對地磁場感知的量子生物學(xué)原理，該工作2021年發(fā)表于

Nature

Nature Physics

Nature Materials

2）共享資源與技術(shù)，提高資源利用效率。

大科學(xué)裝置的建設(shè)和運行需要巨額資金和技術(shù)支持。國際合作可以共享資源技術(shù)，降低成本、提高效率，還能借鑒國際先進經(jīng)驗和技術(shù)成果，降低風(fēng)險，推動中國大科學(xué)裝置建設(shè)不斷取得新的突破。SHMFF在建設(shè)期間，與美、法、荷等國的強磁場實驗室進行了深入的技術(shù)交流和合作，吸收國際先進經(jīng)驗與成果，提升了我國在大科學(xué)裝置建設(shè)領(lǐng)域的國際競爭力。

3）促進學(xué)術(shù)交流與人才流動。

大科學(xué)裝置是科研合作與學(xué)術(shù)交流的重要平臺。強磁場科學(xué)中心依托SHMFF，與全球多個國家和地區(qū)的科研機構(gòu)建立合作關(guān)系，開展前沿科學(xué)研究。通過舉辦國際咨詢委員會會議、國際磁科學(xué)會議、材料磁光研討會等學(xué)術(shù)活動，提升我國科學(xué)家的專業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)水平；以高端學(xué)術(shù)論壇為媒介，邀請國際知名科學(xué)家來華講學(xué)，促進思想交流，激發(fā)創(chuàng)新靈感；組織本土科學(xué)家參加國際磁體技術(shù)大會等活動，分享我國磁體技術(shù)研究成果。通過“請進來”與“走出去”雙向互動，加速知識創(chuàng)新與技術(shù)突破，提高科研資源利用效率，促進人才跨國流動與科研全球化進程。

5 結(jié)論

SHMFF的典型案例，彰顯了大科學(xué)裝置在達成科學(xué)目標、激發(fā)知識創(chuàng)新、驅(qū)動產(chǎn)業(yè)升級、促進國際合作等方面的不可替代作用，深刻揭示了建設(shè)、運行及高效利用大科學(xué)裝置的重要性與緊迫性。盡管中國在該領(lǐng)域已取得一定成績，但在設(shè)施布局優(yōu)化與性能先進性方面，仍有較大提升空間，亟待我們持續(xù)努力，更好地發(fā)揮“國之重器”推動科技創(chuàng)新的核心作用。

本文作者：匡光力、黃杏潔、汪文強

作者簡介：匡光力，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心，研究員，研究方向為強磁場科學(xué)技術(shù)。

文章來源：匡光力, 黃杏潔, 汪文強. 建好、用好大科學(xué)裝置 積極推動人類知識創(chuàng)新—以穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置為例[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(5): 26-36 .

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