在瑞士聯邦理工學院（ETH Zürich），研究人員成功建造了有史以來最強大的微型超導磁鐵，這一創新有可能為實惠的實驗室級高場科學鋪平道路。傳統上，產生超過 40 特斯拉的磁場需要佔地面積如房間般的機器，並消耗數兆瓦的電力。然而，ETH Zürich 的研究團隊改變了這一現況，他們設計出一款能夠達到 42 特斯拉的磁鐵，其大小足以用一隻手握住，並且僅需消耗不到一瓦的電力。這一成果發表在《Science Advances》期刊上，描述了兩款由稀土鋇銅氧化物（REBCO）帶製成的緊湊型全高溫超導（HTS）磁鐵。其中一款使用了兩個煎餅型線圈，達到 38 特斯拉；而另一款則用四個堆疊的線圈，達到了 42.3 特斯拉，這一磁場強度過去僅能在少數國家實驗室的龐大且耗電的基礎設施中實現。
為了更好地理解這些數字：標準醫院的磁共振成像（MRI）機器運行於 1.5 到 3 特斯拉之間，而全 HTS 磁鐵的先前基準則為 26 特斯拉。全球紀錄的穩態磁鐵為美國國家高磁場實驗室的 45.5 特斯拉巨型磁鐵，其耗電量超過 20 兆瓦，並需要巨大的基礎設施。相比之下，ETH Zürich 的磁鐵耗電量則少了數千倍，且線圈體積比紀錄小超過 1,000 倍，與此紀錄的接近程度令人矚目。
主要挑戰在於將 REBCO 帶繞繞在直徑僅 3.1 毫米的小孔中，這大約是鉛筆的寬度。標準的繞製方法需要至少 14 毫米的孔徑以防止超導層開裂。研究團隊開發了一種特殊的方法，將線圈之間的連接點移至孔的外側，儘管彎曲緊密，仍能保持帶的完整性。這些磁鐵還採用了無絕緣繞製法，並在整個線圈上進行焊接。這項技術不僅提高了電流密度，還增強了機械強度。最終的結果是電流密度高達 2,257 安培每平方毫米，這一數值遠高於大多數大型超導系統。
除了驚人的數字，團隊還展示了一項更重要的成果——他們在 3.1 毫米的孔內進行了核磁共振（NMR）實驗。NMR 光譜學是一種強大的分子結構研究方法，使用強磁場能夠提高靈敏度和解析度。目前，使用超過 28 特斯拉的磁場需要向國家實驗室申請時間。這種手掌大小的磁鐵能夠在該範圍內運行，且所需成本和功率都大幅降低，將使高場 NMR 更加可及，尤其是對那些目前無法承擔高昂費用的大學實驗室和研究醫院。
研究人員還指出，這項技術在量子材料研究和下一代微型 NMR 等應用方面具有潛力，已有低於 1 毫米的無線電頻率線圈尺寸的實驗結果。團隊承認，場均勻性，即磁場在孔內的均勻度，仍然是一項挑戰，他們計劃在未來的工作中改善這一點，並致力於將直接 NMR 測量推進到 40 特斯拉以上。目前，這項技術的專利申請已在進行中。這一展示證明了極端磁場科學不必局限於國家實驗室，有時，它的規模甚至可以放在手中。
