El Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético ( MagLab ) es una instalación de la Universidad Estatal de Florida , la Universidad de Florida y el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México, que realiza investigaciones de campos magnéticos en física , biología , bioingeniería , química , geoquímica , bioquímica . Es la única instalación de este tipo en los EE. UU. [1] y se encuentra entre las doce [2] instalaciones de alto magnetismo en todo el mundo. El laboratorio cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y el estado de Florida , y trabaja en colaboración con la industria privada.
El laboratorio posee varios récords mundiales para los imanes más fuertes del mundo, incluido el campo magnético más alto de 45,5 Tesla . [3] Para experimentos de espectroscopía de resonancia magnética nuclear , su imán híbrido conectado en serie (SCH) de 33 toneladas cortas (29 toneladas largas; 30 t) rompió el récord durante una serie de pruebas realizadas por ingenieros y científicos de MagLab el 15 de noviembre. 2016, alcanzando su campo completo de 36 Tesla. [4]
En 1989, la Universidad Estatal de Florida (FSU), el Laboratorio Nacional de Los Álamos y la Universidad de Florida presentaron una propuesta a la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) para un nuevo laboratorio nacional que apoyara la investigación interdisciplinaria en campos magnéticos elevados. El plan proponía una asociación federal - estatal que sirviera a la investigación relacionada con los imanes, a la educación en ciencia y tecnología y a la industria asociada. El objetivo era mantener la posición competitiva de Estados Unidos en la investigación y el desarrollo relacionados con los imanes. Tras un concurso de revisión por pares, la NSF aprobó la propuesta del consorcio liderado por FSU.
En una propuesta competitiva a la NSF, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), con la Universidad de Iowa , la Universidad de Wisconsin-Madison , el Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional Argonne , habían sugerido mejorar el Francis Bitter Magnet existente de clase mundial. Laboratorio del MIT. El 5 de septiembre de 1990, los investigadores del MIT pidieron a los 21 miembros del Consejo Nacional de Ciencias (NSB) que "revisaran y reconsideraran" su decisión. [5] Con 60 millones de dólares en juego en la subvención de la NSF, el MIT declaró que eliminaría gradualmente el Francis Bitter Lab si perdía su atractivo, el primero de su tipo en la historia de la NSF. La solicitud fue rechazada el 18 de septiembre de 1990. [6]
Los primeros años del laboratorio se dedicaron a establecer la infraestructura, construir las instalaciones y contratar profesores. El complejo de Tallahassee se inauguró el 1 de octubre de 1994 ante una gran multitud, con el orador principal el vicepresidente Al Gore .
La misión del laboratorio, según lo establecido por la NSF, es: "Proporcionar los campos magnéticos más altos y los servicios necesarios para la investigación científica realizada por usuarios de una amplia gama de disciplinas, incluidas la física, la química, la ciencia de los materiales, la ingeniería, la biología y la geología. "
El laboratorio se centra en cuatro objetivos:
El National MagLab promueve la educación científica y apoya a los profesores de ciencias, ingeniería y ciencias a través de su Centro para la Integración de la Investigación y el Aprendizaje. Los programas incluyen tutorías en un entorno de aprendizaje interdisciplinario. A través de Magnet Academy, [7] el sitio web del laboratorio proporciona contenido educativo sobre electricidad y magnetismo.
El National MagLab también realiza recorridos mensuales abiertos al público y organiza una jornada de puertas abiertas anual con alrededor de 10.000 asistentes. También se encuentran disponibles visitas especiales y oportunidades de divulgación para las escuelas locales. En una entrevista en Skepticality , el Dr. Scott Hannahs dijo: "Si vienes el tercer sábado de febrero, creo que tendremos una jornada de puertas abiertas y tendremos bobinas de Tesla disparando chispas y derretiremos rocas en el grupo de geoquímica y medimos la velocidad". de sonido y tenemos láseres y lanzadores de patatas y tenemos todo tipo de cosas que muestran pequeños principios científicos y esas cosas. Nos reunimos y se presentan unas 5.000 personas para visitar un laboratorio de física, que es un grupo de personas bastante sorprendente. ". [8]
El laboratorio de Tallahassee en la Universidad Estatal de Florida es un complejo de 370.000 pies cuadrados (34.000 m 2 ) y cuenta con aproximadamente 300 profesores , personal y estudiantes de posgrado y postdoctorado . Su directora es la física Kathleen Amm. [9] [10] Su científica jefe es Laura Greene .
La instalación contiene 14 celdas magnéticas resistivas conectadas a una fuente de alimentación de CC de 48 megavatios y 15.000 pies cuadrados (1.400 m 2 ) de equipo de refrigeración para eliminar el calor generado por los imanes. La instalación alberga varios imanes, incluido un imán híbrido de 45 Tesla , que combina imanes resistivos y superconductores. El imán resistivo de 41,4 Tesla del laboratorio es el imán resistivo de CC (campo continuo) más potente del mundo, [11] y el imán Keck de 25 Tesla tiene la mayor homogeneidad de cualquier imán resistivo. [12]
Este programa sirve a una amplia base de usuarios en espectroscopia de RMN de estado sólido y solución y mediciones de resonancia magnética y difusión con altas intensidades de campo magnético. El laboratorio desarrolla tecnología, metodología y aplicaciones en campos magnéticos elevados a través de actividades de usuarios internos y externos. Un imán de RMN de 900 MHz (21,1 Tesla) fabricado internamente tiene un diámetro ultra ancho que mide 105 mm (aproximadamente 4 pulgadas) de diámetro, este imán superconductor tiene el campo más alto para el estudio de resonancia magnética de animales vivos. [13]
El programa de espectrometría de masas por resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier participa en el desarrollo de instrumentos y técnicas y en las aplicaciones de la espectrometría de masas FT-ICR. Bajo el liderazgo del director Alan G. Marshall , el programa desarrolla continuamente técnicas, instrumentos y aplicaciones de espectrometría de masas FT-ICR. El programa cuenta con varios instrumentos, incluido un sistema de 14,5 Tesla y 104 mm de diámetro.
La forma más común de EMR es la resonancia paramagnética/de espín de electrones (EPR/ESR). En los experimentos de EPR, se observan transiciones entre los subniveles mS de un estado de espín electrónico S que se dividen por el campo magnético aplicado, así como por las interacciones de estructura fina y las interacciones hiperfinas electrón-nuclear. Esta técnica tiene aplicaciones en química, bioquímica, biología, física e investigación de materiales.
La división Magnet Science and Technology se encarga de desarrollar la tecnología y la experiencia para los sistemas magnéticos. Estos proyectos de imanes incluyen la construcción de sistemas magnéticos avanzados para los sitios de Tallahassee y Los Alamos, trabajar con la industria para desarrollar la tecnología para mejorar las capacidades de fabricación de imanes de alto campo y mejorar los sistemas de imanes de alto campo a través de la investigación y el desarrollo.
También en la sede del laboratorio de la FSU, el Centro de Superconductividad Aplicada avanza en la ciencia y la tecnología de la superconductividad para materiales basados en niobio de baja temperatura y cuprato de alta temperatura o materiales basados en MgB 2 . La ASC se ocupa de los superconductores para imanes de fusión, física de altas energías, resonancia magnética y líneas y transformadores de transmisión de energía eléctrica.
El programa de investigación interno utiliza las instalaciones de MagLab para realizar investigaciones de campo de alto nivel en ciencia e ingeniería, mientras avanza los programas de usuario del laboratorio mediante el desarrollo de nuevas técnicas y equipos.
Los científicos del grupo de materia condensada se concentran en varios aspectos de la física de la materia condensada , incluidos estudios y experimentos relacionados con el magnetismo, el efecto Hall cuántico , las oscilaciones cuánticas, la superconductividad de alta temperatura y los sistemas de fermiones pesados.
El programa de investigación de geoquímica se centra en el uso de oligoelementos e isótopos para comprender los procesos y el medio ambiente de la Tierra. Los intereses de la investigación van desde la evolución química de la Tierra y el Sistema Solar a través del tiempo hasta problemas a escala local sobre las fuentes y el transporte de sustancias de importancia ambiental. Los estudios realizados por la división de geoquímica se refieren a cuestiones terrestres y extraterrestres y abarcan expediciones terrestres y marítimas y misiones de naves espaciales. Junto con los departamentos de Química y Oceanografía de la FSU, Geoquímica ha iniciado un programa en Dinámica Biogeoquímica.
Otros programas incluyen criogenia, microscopía óptica, materiales cuánticos y espectroscopia de ultrasonido resonante.
El laboratorio también cuenta con un equipo de investigación de materiales que investiga nuevas formas de fabricar materiales magnéticos de alta resistencia utilizando elementos más comunes y más baratos. [8]
El Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México alberga la Instalación de Campo Pulsado, que proporciona a los investigadores capacidades experimentales para una amplia gama de mediciones en campos pulsados no destructivos de hasta 101 Tesla (75 T actualmente y 101 T en reparación). Los imanes de campo pulsado crean campos magnéticos intensos, pero sólo durante fracciones de segundo. El laboratorio está ubicado en el centro de Los Alamos. En 1999-2000, las instalaciones se trasladaron a una nueva sala experimental especialmente diseñada para adaptarse mejor a las operaciones y el soporte de los usuarios. El programa es la primera y única instalación para usuarios de campo de alta pulsación en los Estados Unidos.
La instalación proporciona una amplia variedad de capacidades experimentales de hasta 100 Tesla, utilizando imanes de pulso corto y largo. La energía proviene de una infraestructura de energía pulsada que incluye un motorgenerador de 1,43 gigavatios y cinco fuentes de alimentación de 64 megavatios. El motor generador de 1200 toneladas se asienta sobre un bloque de inercia de 4800 toneladas cortas (4350 t) que descansa sobre 60 resortes para minimizar los temblores de tierra y es la pieza central del Laboratorio de Campo Pulsado.
Los imanes de la instalación incluyen un imán de pulso largo de 60 Tesla (en reparación) que es el imán de pulso controlado más poderoso del mundo.
La Universidad de Florida alberga instalaciones para usuarios de imágenes por resonancia magnética o (MRI) con un entorno ultrasilencioso y de temperatura ultrabaja para estudios experimentales en la instalación High B/T (alto campo magnético/baja temperatura). También hay instalaciones disponibles para la fabricación y caracterización de nanoestructuras en una nueva instalación de investigación a nanoescala operada en conjunto con el Centro Principal de Instrumentación y Análisis de la universidad.
La Instalación High B/T es parte del Laboratorio Microkelvin del Departamento de Física y realiza experimentos en campos magnéticos elevados de hasta 15,2 Tesla y a temperaturas tan bajas como 0,4 mK simultáneamente para estudios de magnetización, cantidades termodinámicas, mediciones de transporte, resonancia magnética, viscosidad, difusión y presión.
La instalación posee récords mundiales de B/T alto en la Bahía 1 para capacidades de campo bajas a corto plazo y récords mundiales para experimentos de larga duración (> 1 semana) de campo alto. [14] El grupo de investigación es líder mundial en estudios colectivos de fluidos y sólidos cuánticos en términos de amplitud y técnicas de baja temperatura (termometría, RMN, ultrasonido, capacidad calorífica, enfriamiento de muestras).
El programa de Espectroscopía e Imágenes por Resonancia Magnética Avanzada contiene instalaciones para el Programa de RMN y RMN del Mag Lab que complementan las instalaciones de la sede del laboratorio en Tallahassee. El programa está ubicado en el McKnight Brain Institute de la Universidad de Florida. Sus instrumentos incluyen un imán de RMN de 600 MHz con una sonda superconductora de alta temperatura y triple resonancia de 1,5 mm, que ofrece la mayor sensibilidad de masa optimizada para 13C de cualquier sonda del mundo. [15]
30°25′31″N 84°19′15″O / 30.425215°N 84.320915°W / 30.425215; -84.320915