Missä tahansa elokuvassa tai sarjakuvassa, jossa on hullu tiedemies, on hetki, jolloin hän kääntää kytkintä tai sekoittaa kahta kemikaalia, ja pam, hänen laboratorionsa räjähtää ja savua nousee ulos ikkunoista ja ovista. Todellisuudessa, ainakin nykyaikana, laboratorioräjähdyksiä ei suositella. Mutta äskettäinen sähkömagnetismikokeilu Tokiossa tuotti voimakkaimman koskaan luodun kontrolloidun magneettikentän, raportoi Samuel K. Moore IEEE Spectrum -lehdessä, joka oli tarpeeksi voimakas räjäyttämään laboratorion räjähdysluukut auki.
Suuri räjähdys saatiin aikaan, kun Tokion yliopiston tutkijat pumppasivat 3,2 megajoulea sähköä erikoissuunnitelmaan suunniteltuun kelaan massiivisen magneettikentän aikaansaamiseksi. Vaikka tutkijat toivoivat, että kenttä yltäisi 700 teslaan, yksikköön, jota käytetään mittaamaan magneettivuon tiheyttä tai epävirallisesti magneettikentän voimakkuutta. Sen sijaan kenttä saavutti 1 200 teslaa. Se on noin 400 kertaa voimakkaampi kuin tehokkain magneettikuvauslaite, joka tuottaa kolme teslaa. Syntynyt räjähdys taivutti rautakaapin, johon laite oli koteloitu, ja räjäytti metalliovet auki.
”Suunnittelin rautakotelon kestämään noin 700 T:tä vastaan”, fyysikko Shojiro Takeyama, Review of Scientific Instruments -lehdessä julkaistun tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, kertoo Moorelle. ”En odottanut sen olevan näin korkea. Seuraavalla kerralla teen siitä vahvemman.”
Onneksi tutkijat itse olivat piilossa valvomossa, suojassa räjähdykseltä.
Mitä Takeyama ja hänen kollegansa siis tekivät päästämällä massiivisia magneettipommeja keskellä Tokiota? Rafi Letzer LiveScience-lehdessä kertoo, että tutkijat ovat tavoitelleet yhä suurempia kontrolloituja magneettikenttiä useiden vuosikymmenien ajan. Takeyama on yrittänyt ylittää 1 000 teslan tason viimeiset 20 vuotta ja saavuttanut tavoitteen tällä uudella laitteella.
Pohjimmiltaan sähkömagneetti on sarja putkia, jotka koostuvat kelasta, jonka sisällä on kuparinen sisäkela. Kun käämien läpi johdetaan massiivisia määriä sähköä, sisempi kela luhistuu itseensä Mach 15:n nopeudella, mikä on yli 3 mailia sekunnissa. Kelan magneettikenttä tiivistyy yhä tiiviimmäksi, kunnes se saavuttaa uskomattoman korkean tason. Sitten, sekunnin murto-osassa, koko käämi romahtaa, mikä johtaa räjähdykseen. Hieman enemmän insinöörityötä ja vahvemmilla ovilla ryhmä uskoo, että he voisivat nostaa laitteensa 1 800 teslaan.
Tämä ei ollut suurin ihmisen koskaan tuottama magneettikenttä. Joitakin supervahvoja kenttiä tuotetaan lasereilla, mutta ne ovat niin pieniä ja lyhytikäisiä, että niitä on vaikea tutkia tai käyttää. Takeyama kertoo Letzerille, että historiallisesti amerikkalaiset ja venäläiset tutkijat ovat tehneet joitakin laajamittaisia ulkoilmakokeita, joissa on käytetty magneettikäämien ympärille pakattuja suuria räjähteitä, jotka ovat tuottaneet jopa 2 800 teslan kenttiä. Mutta nekin ovat epätäydellisiä.
”He eivät voi tehdä näitä kokeita sisätiloissa sijaitsevissa laboratorioissa, joten he tekevät yleensä kaiken ulkona, kuten Siperiassa pellolla tai jossain Los Alamosissa hyvin laajalla alueella”, hän sanoo. ”Ja he yrittävät tehdä tieteellisiä mittauksia, mutta näiden olosuhteiden vuoksi tarkkojen mittausten tekeminen on hyvin vaikeaa.”
Ryhmän työkalua voidaan kuitenkin käyttää valvotuissa laboratorio-olosuhteissa, ja se tuottaa suhteellisen suuren kentän, hieman alle nanometrin, joka on tarpeeksi suuri todellisen tieteen tekemiseen. Lehdistötiedotteen mukaan tavoitteena on tuottaa hallittu magneettikenttä, jota fyysikot voisivat käyttää. Toiveena on, että kenttää voidaan kontrolloida niin hyvin, että materiaalit voidaan sijoittaa pienen kentän sisälle, jolloin tutkijat voivat saattaa elektronit ”kvanttirajaan”, jossa hiukkaset ovat kaikki perustilassaan ja paljastavat ominaisuuksia, joita tutkijat eivät ole vielä löytäneet. Siinä tapauksessa isompi on parempi.
”Yleensä mitä suurempi kenttä, sitä paremmaksi ja paremmaksi mittauksen resoluutio muuttuu”, Takeyama kertoo Moorelle IEEE:ssä.
Toinen mahdollinen sovelluskohde – kunhan räjähdykset saadaan työstettyä – on käyttö fuusioreaktoreissa, eräänlaisessa energiaa tuottavassa laitteessa, jossa plasmaa pidetään vakaana vahvan magneettikentän avulla, kun sen vety sulaa, mikä synnyttää samankaltaista reaktiota kuin Auringon reaktio, ja se tuottaa lähes rajattomasti puhdasta energiaa. Tiedotteen mukaan tutkijat uskovat, että heidän on kyettävä hallitsemaan 1 000 teslan magneettikenttää, jotta he voivat tuottaa jatkuvaa ydinfuusiota.