En ny magnet som är hälften så stor som en toalettpappsrulle av kartong tillskansade sig titeln "världens starkaste magnetfält" från metalltitan som hade hållit den i två decennier vid Florida State University med huvudkontor National High Magnetic Field Laboratory.

Och dess tillverkare säger att vi inte har sett någonting ännu:Genom att packa en exceptionellt högfältsmagnet i en spole kan du packa i en handväska, MagLab-forskare och ingenjörer har visat ett sätt att bygga och använda elektromagneter som är starkare, mindre och mer mångsidig än någonsin tidigare.

Deras arbete beskrivs i en artikel som publicerades idag i tidskriften Natur .

"Vi öppnar verkligen en ny dörr, " sa MagLab ingenjör Seungyong Hahn, hjärnan bakom den nya magneten och en docent vid FAMU-FSU College of Engineering. "Den här tekniken har en mycket god potential att helt förändra horisonten för högfältsapplikationer på grund av dess kompakta natur."

Denna nya magnet är en modig David till MagLabs konventionella Goliaths, sa National MagLab Director Greg Boebinger.

"Detta är verkligen en miniatyriseringsmilstolpe som potentiellt kan göra för magneter vad kisel har gjort för elektronik, ", sa han. "Denna kreativa teknik kan leda till små magneter som gör stora jobb på platser som partikeldetektorer, kärnfusionsreaktorer och diagnostiska verktyg inom medicin."

Gary Ostrander, vice president för forskning vid Florida State University, sa att det nya rekordet är en hyllning till fakultetens uppfinningsrikedom och den tvärvetenskapliga karaktären av forskning vid labbet.

"Våra forskare har skapat en anmärkningsvärd bedrift här, "Denna teknik visar verkligen hur styrkan hos vår fakultet i kombination med resurserna i labbet kan resultera i något speciellt."

Nya material, ny design

Miniatyrmagneten skapad av Hahn och hans team genererade ett världsrekord på 45,5 tesla magnetfält. En typisk sjukhus-MRI-magnet är cirka 2 eller 3 tesla, och den starkaste, kontinuerlig fältmagnet i världen är MagLabs eget 45-tesla hybridinstrument, en gigant på 35 ton som har bibehållit det rekordet sedan 1999.

45-T, som det heter, är fortfarande världens starkaste fungerande magnet, möjliggör banbrytande fysikforskning om material. Men i ett test, den halvlitersstora magneten som uppfanns av Hahn, tippar vågen till 390 gram (0,86 pund), överträffade kort den regerande mästarens fält med en halv tesla, ett övertygande proof of concept.

Hur kunde något så litet skapa ett så stort fält? Genom att använda en lovande, ny ledare och en ny magnetdesign.

Både 45-T-magneten och 45,5-T-testmagneten är delvis byggda med supraledare, en klass av ledare med speciella egenskaper, inklusive förmågan att bära el med perfekt effektivitet.

Supraledarna som används i 45-T är niobbaserade legeringar, som har funnits i decennier. Men i 45,5-T proof-of-principe-magneten, Hahns team använde en nyare förening som heter REBCO (sällsynt jordartsmetallbariumkopparoxid) med många fördelar jämfört med konventionella supraledare.

I synnerhet, REBCO kan bära mer än dubbelt så mycket ström som en sektion av samma storlek av niobbaserad supraledare. Denna strömtäthet är avgörande:trots allt, elektriciteten som går genom en elektromagnet genererar dess fält, så ju mer du kan stoppa i dig, desto starkare fält.

Också kritisk var den specifika REBCO-produkt som användes — papperstunna, tejpformade ledningar tillverkade av SuperPower Inc.

MagLabs chefsmaterialforskare David Larbalestier, som också är professor vid FAMU-FSU College of Engineering, såg produktens löfte att packa mer kraft i en potentiell världsrekordmagnet, och uppmuntrade Hahn att ge det en chans.

Den andra nyckelingrediensen var inte något de stoppade i, utan snarare något de utelämnade:isolering.

Dagens elektromagneter innehåller isolering mellan ledande skikt, som leder strömmen längs den mest effektiva vägen. Men det tillför också vikt och bulk.

Hahns innovation:En supraledande magnet utan isolering. Förutom att ge ett snyggare instrument, denna design skyddar magneten från ett fel som kallas en släckning. Släckning kan uppstå när skador eller brister i ledaren blockerar strömmen från dess avsedda väg, vilket gör att materialet värms upp och förlorar sina supraledande egenskaper. Men om det inte finns någon isolering, den strömmen följer helt enkelt en annan väg, avvärja en släckning.

"Det faktum att spolens varv inte är isolerade från varandra gör att de kan dela ström mycket enkelt och effektivt för att kringgå något av dessa hinder, " förklarade Larbalestier, motsvarande författare på Nature-tidningen.

Det finns en annan bantningsaspekt av Hahns design som relaterar till kylningar:Supraledande ledningar och tejper måste innehålla lite koppar för att hjälpa till att avleda värme från potentiella hot spots. Hans spole utan isolering, med tejper som bara är 0,043 mm tjocka, kräver mycket mindre koppar än konventionella magneter.

Med ledning av veteranen MagLab-ingenjören Iain Dixon, teamet byggde tre allt kraftfullare prototyper i snabb följd som blev kända som Little Big Coil-serien (LBC). Längs vägen, de förfinade, löst problem och använde allt bättre supraledare.

Sökandet efter svar tog teamet till teknikens framkant – bokstavligen.

På grund av produktionsbegränsningar, REBCO-band tillverkas med en specifik bredd —12 mm, eller ungefär en halv tum. För att uppfylla LBC:s krav, dock, dessa tejper måste skäras på längden till 4 mm breda.

Det är svårt att göra, även med största försiktighet, eftersom REBCO är ganska skört. Som ett resultat, sidorna av bandet som hade slitits var känsliga för sprickbildning under den mekaniska påfrestningen från höga magnetfält.

"Det upptäcktes vackert i dessa experiment, " sa Larbalestier. "Vi hittade ett sätt att kontrollera den här skadan, vilket är att insistera på att vi köper material som har en icke-slitsad kant, och vi orienterar den icke-slitsade kanten bort från mitten av magneten. Och under dessa omständigheter, än så länge ser vi inga skador."

Nästa steg? Mer forskning och felsökning. Hahns LBC-design övervägs för närvarande för användning i en potentiellt rekordstor framtida supraledande magnet som nu är i forskning och utveckling finansierad av National Science Foundation.

"Det grundläggande problemet med REBCO är att det är en enfilamentledare som inte kan göras perfekt, ", sa Larbalestier. "Så vilken längd av ledare som helst innehåller en mängd olika defekter vars inverkan på en framtida magnet ännu inte är väl förstått. Men vi gillar den här typen av utmaningar."

Även med dessa utmaningar, forskarna är fortfarande nöjda med de framsteg som har gjorts.

"När NSF först lanserade National High Magnetic Field Laboratory för decennier sedan, det revolutionerade användningen av kraftfulla magneter för forskning, sa Linda Sapochak, direktör för NSF:s avdelning för materialforskning. "När de tillkännager sin nya världsrekordbrytande magnet, MagLab har visat att det fortsätter att driva framkanten av detta fält, och de genombrott som kommer att följa."

Leonard Spinu, NSF-programchefen som övervakar MagLabs finansiering, ekade Sapochaks kommentarer.

"Detta genombrott kommer att påskynda MagLabs NSF-stödda ansträngning för att utveckla energieffektiva, högfältsmagneter, som när det insågs skulle kunna demokratisera nationell tillgång till denna teknik, " han sa.