原文發表于《科技導報》2025年第5期《建好、用好大科學裝置 積極推動人類知識創新—以穩態強磁場實驗裝置為例》

大科學裝置是工程式大科學的主要載體，對于孕育前沿科學創新突破、取得重大原創成果、推動重大技術革新具有戰略意義。《科技導報》邀請中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心學術主任匡光力等，深入探討了大科學裝置在推動人類知識創新進程中的核心作用，特別聚焦于穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）這一實例，剖析了其在達成科學目標、驅動知識創新、促進產業升級、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，現代知識創新的發展主要有兩種方式：（1）小科學。由科學家個人或科學小組以追求科學真理為導向，自定問題、自由探索，經常會產生意想不到的結果，促發思想創新。這種方式是19世紀知識創新的主要方式，在現代知識創新體系中依然存在，如自然科學基金。（2）大科學，是一種全新的知識生產方式。相對于小科學，大科學具有科學目標宏大、資金和人員投入巨大且集中、多學科交叉融合等特征，包括工程式大科學和分布式大科學兩類。這種方式是20世紀中葉以來知識創新發展的主要方式，其中大科學裝置作為工程式大科學的主要載體，對于孕育前沿科學創新突破、取得重大原創成果、推動重大技術革新具有戰略意義。立足于國內大科學裝置的發展現狀，我們以穩態強磁場實驗裝置（Steady High Magnetic Field Facility，SHMFF）為典型案例，重點闡述大科學裝置對于知識創新發展的重要作用。

1 大科學裝置對知識創新的重要作用

1.1 大科學裝置的定義、分類

直到今天，科學界對于大科學裝置的定義一直在不斷更新完善。基于大科學裝置的外顯特征，大科學裝置是指通過較大規模投入和工程建設來完成，建成后通過長期的穩定運行和持續的科學技術活動，實現重要科學技術目標的大型設施。基于大科學裝置的內涵，大科學裝置是指為提升探索未知世界、發現自然規律、實現科技變革的能力，通過國家統籌布局，依托高水平創新主體建設，面向社會開放共享的大型復雜的科學研究裝置或系統，是長期為高水平研究活動提供服務、具有較大國際影響力的國家公共設施。按照建設目的及主要用途，大科學裝置可分為3類：專用研究裝置、應用型公共平臺、公益性服務設施。

1.2 中國大科學裝置發展現狀

21世紀前，中國大科學裝置主要用于專用研究和公益服務，布局不均衡、內容不全面；21世紀初到黨的十八大期間，大科學裝置建設緊跟國外已有大科學裝置，聚焦世界科技前沿，主要用于多學科前沿研究，呈現均衡發展態勢（其中SHMFF就是在這一時期瞄準多學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，國務院明確中國未來大科學裝置的重點發展方向，瞄準科技前沿研究和國家重大戰略需求，均衡全面發展，服務于科技強國建設和可持續發展戰略。“十一五”以來，中國大科學裝置建設發展迅猛，在工程建設、技術創新、成果產出等方面成果顯著，為中國科技進步、經濟發展提供了重要支撐（如圖1所示）。

圖1 中國“十一五”以來各五年計劃布局建設的大科學裝置數量

目前中國大科學裝置已經在運行的有65個，加上在建的與擬建的，總數超過100個。從空間布局上，分布較廣，僅少數省市尚未參與建設或運行管理。中國科學院作為主要力量，目前已經建成并運行的大科學裝置有23個，分布在13個城市。雖然中國大科學裝置在數量上不亞于歐美發達國家，但布局較分散，先進性不足，多數仍處于追趕狀態。未來，亟需瞄準國家重大需求，結合現有發展現狀，布局引領性的大科學裝置。

1.3 大科學裝置成為支撐知識創新發展的重要平臺

對于“新一輪科技革命在哪些領域發生”“基礎科學的重大突破何時到來”等問題，科學界尚無定論，但全球科學家一致認為大科學裝置是打開未來科技魔盒的鑰匙。其創造的極端條件（強磁場、超高壓、極低溫等）是發現新現象、探索新規律、催生重大技術變革不可或缺的研究平臺。

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

2）產業應用方面，大科學裝置為技術變革和產業升級提供強大新質生產力。SHMFF在建設和運行過程中形成的系列衍生技術和研究成果在高端裝備、人工智能、精密測量、新材料研發以及藥物研發領域具有重要應用價值。

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

4）人才集聚方面，大科學裝置是高端人才的“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 建好大科學裝置是充分發揮其知識創新作用的重要條件

2.1 建設國際領先性能的大科學裝置

建設國際領先性能的大科學裝置并非易事。依賴從國外進口設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先性能的目標，甚至可能陷入技術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，更是一場對技術創新和突破的深刻挑戰。這要求具備強大的研發能力，能不斷推出新技術、新材料、新工藝，并在實踐中不斷驗證和完善。同時，還要具備快速響應技術變革的能力，緊跟國際科技前沿，及時捕捉最新動態，將最新的科技成果轉化為大科學裝置的實際應用。

2.2 穩態強磁場實驗裝置的建設成就

“十一五”期間，國家發改委批準建設穩態強磁場大科學裝置，由中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心承擔建設和運行，中國科學技術大學參與共建。

1）SHMFF建設背景與歷程。

作為現代知識創新最重要的極端條件之一，穩態強磁場對于催生原創科學突破意義重大。然而在2007年之前，中國沒有自己的穩態強磁場實驗條件，嚴重制約了多學科前沿研究創新。2008年5月SHMFF開工建設，2010年開啟“邊建設、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世界紀錄，強磁場水冷磁體技術達到世界領先水平。實現大型強磁場鈮三錫超導磁體技術重大突破，達到國際一流水平。建成40 T穩態混合磁體，磁場強度世界第二。建成國際首創水冷磁體掃描隧道顯微鏡系統、組合顯微鏡系統等，使中國穩態強磁場實驗條件達到國際領先水平。專家組一致認為：SHMFF磁體技術和綜合性能達到國際領先水平。全面掌握高場磁體核心技術，產生盡可能高的磁場，為基礎學科提供最好的實驗條件，成為SHMFF在驗收后的首要科學目標。

2）突破一批關鍵核心技術。

SHMFF是黨的十八大以來建成的國家大科學裝置之一。強磁場科學中心技術研究團隊（以下簡稱“團隊”）經過近10年的攻關，最終建成3類10臺技術和綜合性能均國際領先的磁體及6類20余種強磁場下實驗表征系統，耦合極低溫、超高壓等極端實驗條件，為揭示材料、物理、化學、生物等多學科前沿領域的自然規律，實現特殊功能材料制備和創新藥物研發等技術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“水冷磁體”和外“超導磁體”組合而成混合磁體是能夠產生最高穩態磁場的磁體，其技術難度也是最高的。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特斯拉級穩態磁場的國家。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中心預研項目支持下，團隊全鏈條創新攻關，混合磁體（圖2）在26.9兆瓦的電源功率下，穩定產生45.22 T穩態強磁場，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研究的最高穩態磁場磁體。水冷磁體技術同樣突出，三臺水冷磁體分別以32 mm、50 mm、200 mm的磁體孔徑，創造三項穩態磁場世界紀錄。2024年9月，團隊升級水冷磁體技術裝備系統，32mm孔徑水冷磁體（圖3）以42.02 T穩態磁場打破美國2017年創造的41.4 T紀錄，成為國際強磁場水冷磁體技術發展新的里程碑，助力我國穩態強磁場技術發展實現“大滿貫”。這些技術成就不僅極大地提升了中國在強磁場科技領域的影響力和競爭力，也使中國的穩態強磁場技術和科學實驗條件達到了國際領先水平。

圖2 穩態強磁場實驗裝置混合磁體

圖3 產生42.02 T穩態磁場的水冷磁體

3）產出一系列高水平成果。

自2010年起，SHMFF開啟邊建設、邊運行的模式，吸引國內外高校、科研院所和企業數千名科研人員利用該裝置開展前沿科學研究和技術攻關，在量子效應、超導機理、新材料探索、重大疾病病理以及創新藥物研發等方面均取得進展。這些優秀成果使得SHMFF在同類裝置中脫穎而出，其產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，為國內外197家用戶單位提供了實驗條件，支撐物理、化學、材料、生物醫藥、工程技術等多學科前沿探索，發表論文2500篇，產出眾多具有重大意義的原創成果。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的直接證據，邁出了量子霍爾效應從二維到三維的關鍵一步。

4）催生一批新成果和新應用。

SHMFF積極發揮大科學裝置“沿途下蛋”機制，強磁場科學中心依托裝置衍生多項具有廣泛應用前景的科技成果，并成功轉化為現實生產力，為經濟社會發展作出了積極貢獻。例如：（1）掃描隧道顯微成像技術。陸輕鈾團隊研制出國際首創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物質研究筑牢基礎。（2）國家Ⅰ類創新靶向藥物研制。劉青松團隊依托SHMFF，運用核磁共振波譜學等手段解析藥物溶液結構，經蛋白質工程改造優化，研制出具有更高生物活性和穩定性的國家I類創新靶向藥物。（3）非酒精性脂肪肝炎及糖尿病的治療藥物研發。王俊峰團隊開展與重大疾病相關生物大分子結構生物學及應用研究，其研制的新一代肝泌素產品，熱穩定性和體內半衰期大幅提升，藥效優于已上市同類藥物，有望在完成臨床轉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。這些成果不僅體現了SHMFF在物質科學研究領域的強大實力，也展示了其在知識創新方面的巨大潛力。

3 用好大科學裝置是推動知識創新的堅實保障

3.1 圍繞大科學裝置的科學目標搭建配套實驗測量系統

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

Nature

，并入選2021年度“中國半導體十大研究進展”；生命健康領域，中國科大熊偉團隊利用SHMFF高場磁共振成像系統揭示出日光照射改善學習記憶的分子及神經環路機制，成果發表在

Cell

，并入選2018年度“中國生命科學十大進展”。同時，聚焦國家重大需求，瞄準高溫超導機理及實用性高溫超導材料應用研究、低功耗量子材料研究、癌癥及神經退行性疾病的發病機理研究及藥物研發等瓶頸問題，結合用戶需求，優化升級SHMFF實驗系統及新建實驗系統。如中國科學院電工所馬衍偉團隊利用SHMFF高場萬安級大電流超導測試平臺，首次驗證鐵基超導材料高場應用可行性，成果入選2019年IEEE超導學會亮點工作。

3.2 聚焦國家戰略需求，組織科研用戶開展建制化科研攻關，促進系統性知識創新

為充分發揮大科學裝置優勢、凝聚全國相關科技力量協同攻關、促進重大成果產出，各級主管部門均針對大科學裝置建制化科研攻關設立相應科研項目，如大科學裝置前沿研究重點專項、大科學裝置聯合基金等。

大科學裝置前沿研究重點專項主要支持基于中國在物質結構研究領域的2類大科學裝置開展前沿研究：專用大科學裝置，以及為多學科交叉前沿研究提供手段的平臺型裝置。

大科學裝置聯合基金由國家自然科學基金委員會和中國科學院于2009年初設立，充分發揮國家自然科學基金遴選與管理的優勢，集聚全國科研力量，充分發揮大科學裝置平臺效能，服務國家戰略需求。如依托SHMFF，田明亮團隊發現一類三重簡并拓撲半金屬材料——三角結構的PtBi2，對促進人們認識電子拓撲物態，發現新奇物理現象，開發新型電子器件以及深入理解基本粒子性質具有重要意義；王俊峰團隊聯合國外研究機構利用SHMFF設計出新型光控元件蛋白cpLOV2，拓展了LOV2系列蛋白在光遺傳學工程中的應用。2012-2019年，32所高校和科研院所的科研團隊依托SHMFF獲得大科學裝置聯合基金項目104項，促進了SHMFF開放共享與科技效益發揮。

4 利用大科學裝置促進國際科學研究合作和學術交流

1）提供合作平臺，推動知識創新。

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，展現中國科學家與國際科學界攜手合作的理念。通過SHMFF，多個國際合作團隊在動物磁感應、生物導航、二維層狀單晶超導體等領域取得重大突破。生命科學領域，強磁場科學中心依托SHMFF成立國際磁生物學前沿研究中心，匯聚中、美、英、法、俄等七國的18位科學家，聚焦磁效應、磁感應和磁技術三大方向，探索磁生物學的未知領域。在此支持下，磁生物學研究團隊與英國牛津大學、德國奧登堡大學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原理，該工作2021年發表于

Nature

。材料科學領域，復旦大學、強磁場科學中心和中國科學院上海硅酸鹽研究所、香港科技大學、英國曼徹斯特大學組成國際合作團隊，利用SHMFF水冷磁體在薄層二維層狀單晶超導體2M-WS 2 中揭示了自旋-軌道-宇稱耦合的超導新機制，該工作2022年發表于

Nature Physics

，并同期發表News & Views評論。此外，清華大學、美國西北大學、強磁場科學中心等聯合團隊通過關聯氧化物的原子精度操控，創新設計和制備出一種全新氧化物材料Ca 3 Co 3 O 8 ，依托SHMFF證實了該材料的本征鐵磁極化金屬特性，該成果2024年發表于

Nature Materials

2）共享資源與技術，提高資源利用效率。

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

3）促進學術交流與人才流動。

大科學裝置是科研合作與學術交流的重要平臺。強磁場科學中心依托SHMFF，與全球多個國家和地區的科研機構建立合作關系，開展前沿科學研究。通過舉辦國際咨詢委員會會議、國際磁科學會議、材料磁光研討會等學術活動，提升我國科學家的專業素養和技術水平；以高端學術論壇為媒介，邀請國際知名科學家來華講學，促進思想交流，激發創新靈感；組織本土科學家參加國際磁體技術大會等活動，分享我國磁體技術研究成果。通過“請進來”與“走出去”雙向互動，加速知識創新與技術突破，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 結論

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

本文作者：匡光力、黃杏潔、汪文強

作者簡介：匡光力，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心，研究員，研究方向為強磁場科學技術。

文章來源：匡光力, 黃杏潔, 汪文強. 建好、用好大科學裝置 積極推動人類知識創新—以穩態強磁場實驗裝置為例[J]. 科技導報, 2025, 43(5): 26-36 .

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