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超導(dǎo)科學(xué)研究

 

1.非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動(dòng)力學(xué)和超導(dǎo)機(jī)理

 

主要研究混合態(tài)區(qū)域的磁通線運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，不可逆線性質(zhì)、起因及其與磁場(chǎng)和溫度的關(guān)系，臨界電流密度與磁場(chǎng)和溫度的依賴關(guān)系及各向異性。超導(dǎo)機(jī)理研究側(cè)重于研究正常態(tài)在強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁阻、霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、費(fèi)米面的性質(zhì)以及T<Tc時(shí)用強(qiáng)磁場(chǎng)破壞超導(dǎo)達(dá)到正常態(tài)時(shí)的輸運(yùn)性質(zhì)等。對(duì)有望表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)電性的體系象有機(jī)超導(dǎo)體等以及在強(qiáng)電方面具有廣闊應(yīng)用前景的低溫超導(dǎo)體等，也將開展其在強(qiáng)磁場(chǎng)下的性質(zhì)研究。

 

2.強(qiáng)磁場(chǎng)下的低維凝聚態(tài)特性研究

 

低維性使得低維體系表現(xiàn)出三維體系所沒(méi)有的特性。低維不穩(wěn)定性導(dǎo)致了多種有序相。強(qiáng)磁場(chǎng)是揭示低維凝聚態(tài)特性的有效手段。主要研究?jī)?nèi)容包括：有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來(lái)源；有機(jī)（包括富勒烯）超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性；強(qiáng)磁場(chǎng)下二維電子氣中非線性元激發(fā)的特異屬性；低維磁性材料的相變和磁相互作用；有機(jī)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的輸運(yùn)和載流子特性；磁場(chǎng)中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征等。

 

3.強(qiáng)磁場(chǎng)下的半導(dǎo)體材料的光、電等特性

 

強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展愈益變得重要，因?yàn)樵诟鞣N物理因素中，外磁場(chǎng)是唯一在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動(dòng)量空間對(duì)稱性的物理因素，因而在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)研究以及元激發(fā)及其互作用研究中，磁場(chǎng)有著特別重要的作用。通過(guò)對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)下半導(dǎo)體材料的光、電等特性開展實(shí)驗(yàn)研究，可進(jìn)一步理解和把握半導(dǎo)體的光學(xué)、電學(xué)等物理性質(zhì)，從而為制造具有各種功能的半導(dǎo)體器件并發(fā)展高科技作基礎(chǔ)性探索。

 

4.強(qiáng)磁場(chǎng)下極微細(xì)尺度中的物理問(wèn)題

 

極微細(xì)尺度體系中出現(xiàn)許多常規(guī)材料不具備的新現(xiàn)象和奇異特性，這與這類材料的微結(jié)構(gòu)特別是電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。強(qiáng)磁場(chǎng)為研究極微細(xì)尺度體系的電子態(tài)和輸運(yùn)特性提供強(qiáng)有力的手段，不但能進(jìn)一步揭示這類材料在常規(guī)條件下難以出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，而且為在更深層次下認(rèn)識(shí)其物理特性提供豐富的科學(xué)信息。主要研究強(qiáng)磁場(chǎng)下極微細(xì)尺度金屬、半導(dǎo)體等的電子輸運(yùn)、電子局域和關(guān)聯(lián)特性；量子尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面、界面效應(yīng)；以及極微細(xì)尺度氧化物、碳化物和氮化物的光學(xué)特性及能隙精細(xì)結(jié)構(gòu)等。

 

5.強(qiáng)磁場(chǎng)化學(xué)

 

強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)電子自旋和核自旋的作用，可導(dǎo)致相應(yīng)化學(xué)鍵的松馳，造成新鍵生成的有利條件，誘發(fā)一般條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的物理化學(xué)變化，獲得原來(lái)無(wú)法制備的新材料和新化合物。強(qiáng)磁場(chǎng)化學(xué)是應(yīng)用基礎(chǔ)性很強(qiáng)的新領(lǐng)域，有一系列理論課題和廣泛應(yīng)用前景。近期可開展水和有機(jī)溶劑的磁化及機(jī)理研究以及強(qiáng)磁場(chǎng)誘發(fā)新化學(xué)反應(yīng)研究等。

 

6.磁場(chǎng)下的生物學(xué)、生物－醫(yī)學(xué)研究等

 

磁體科學(xué)和技術(shù)

 

強(qiáng)磁場(chǎng)的價(jià)值在于對(duì)物理學(xué)知識(shí)有重要貢獻(xiàn)。八十年代的一個(gè)概念上的重要進(jìn)展是量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。這是在強(qiáng)磁場(chǎng)下研究二維電子氣的輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)的（獲85年諾貝爾獎(jiǎng)）。量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)激起物理學(xué)家探索其起源的熱情，并在建立電阻的自然基準(zhǔn)，精確測(cè)定基本物理常數(shù)e，h和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)(＝e2/h(0c等應(yīng)用方面，已顯示巨大意義。高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的最終揭示在很大程度上也將依賴于人們?cè)趶?qiáng)磁場(chǎng)下對(duì)高溫超導(dǎo)體性能的探索。

 

熟悉物理學(xué)史的人都清楚，由固體物理學(xué)演化為凝聚態(tài)物理學(xué)，其重要標(biāo)志就在于其研究對(duì)象的日益擴(kuò)大，從周期結(jié)構(gòu)延伸到非周期結(jié)構(gòu)，從三維晶體拓寬到低維和高維，乃至分?jǐn)?shù)維體系。這些新對(duì)象展示了大量新的特性和物理現(xiàn)象，物理機(jī)理與傳統(tǒng)的也大不相同。這些新對(duì)象的產(chǎn)生以及對(duì)新效應(yīng)、新現(xiàn)象的解釋使得凝聚態(tài)物理學(xué)得以不斷的豐富和發(fā)展。在此過(guò)程中，極端條件一直起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)闃O端條件往往使得某些因素突出出來(lái)而同時(shí)抑制其它因素，從而使原本很復(fù)雜的過(guò)程變得較為簡(jiǎn)單，有利于直接了解物理本質(zhì)。

 

相對(duì)于其它極端條件，強(qiáng)磁場(chǎng)有其自身的特色。強(qiáng)磁場(chǎng)的作用是改變一個(gè)系統(tǒng)的物理狀態(tài)，即改變角動(dòng)量（自旋）和帶電粒子的軌道運(yùn)動(dòng)，因此，也就改變了物理系統(tǒng)的狀態(tài)。正是在這點(diǎn)上，強(qiáng)磁場(chǎng)不同于物理學(xué)的其他一些比較昂貴的手段，如中子源和同步加速器，它們沒(méi)有改變所研究系統(tǒng)的物理狀態(tài)。磁場(chǎng)可以產(chǎn)生新的物理環(huán)境，并導(dǎo)致新的特性，而這種新的物理環(huán)境和新的物理特性在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)是不存在的。低溫也能導(dǎo)致新的物理狀態(tài)，如超導(dǎo)電性和相變，但強(qiáng)磁場(chǎng)極不同于低溫，它比低溫更有效，這是因?yàn)榇艌?chǎng)使帶電的和磁性粒子的遠(yuǎn)動(dòng)和能量量子化，并破壞時(shí)間反演對(duì)稱性，使它們具有更獨(dú)特的性質(zhì)。

 

強(qiáng)磁場(chǎng)可以在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下改變動(dòng)量空間的對(duì)稱性，這對(duì)固體的能帶結(jié)構(gòu)以及元激發(fā)及其互作用等研究是非常重要的。固體復(fù)雜的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)正是利用強(qiáng)磁場(chǎng)使得電子和空穴在特定方向上的自由運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致磁化和磁阻的振蕩這一原理而得以證實(shí)的。固體中的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)及特征研究一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域中的前沿課題。當(dāng)今凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的許多重大熱點(diǎn)都離不開強(qiáng)磁場(chǎng)這一極端條件，甚至很多是以強(qiáng)磁場(chǎng)下的研究作為基礎(chǔ)。如波色凝聚只發(fā)生在動(dòng)量空間，要在實(shí)空間中觀察到此現(xiàn)象必需在非均勻的強(qiáng)磁場(chǎng)中才得以可能。又如高溫超導(dǎo)的機(jī)理問(wèn)題、量子霍爾效應(yīng)研究、納米材料和介觀物體中的物理問(wèn)題、巨磁阻效應(yīng)的物理起因、有機(jī)鐵磁性的結(jié)構(gòu)和來(lái)源、有機(jī)（包括富勒烯〕超導(dǎo)體的機(jī)理和磁性、低維磁性材料的相變和磁相互作用、固體中的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面特征以及元激發(fā)及其互作用研究等等，強(qiáng)磁場(chǎng)下的研究工作將有助于對(duì)這些問(wèn)題的正確認(rèn)識(shí)和揭示，從而促進(jìn)凝聚態(tài)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

 

帶電粒子象電子、離子等以及某些極性分子的運(yùn)動(dòng)在磁場(chǎng)特別是在強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生根本性變化。因此，研究強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、表面催化過(guò)程、材料特別是磁性材料的生成過(guò)程、生物效應(yīng)以及液晶的生成過(guò)程等的影響，有可能取得新的發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生交叉學(xué)科的新課題。強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用于材料科學(xué)為新的功能材料的開發(fā)另辟新徑，這方面的, , 工作在國(guó)外備受重視，在國(guó)內(nèi)也開始有所要求。高溫超導(dǎo)體也正是因?yàn)樵谖磥?lái)的強(qiáng)電領(lǐng)域中蘊(yùn)藏著不可估量的應(yīng)用前景才引起科技界乃至各國(guó)政府的高度重視。因此，強(qiáng)磁場(chǎng)下的物理、化學(xué)等研究，無(wú)論是從基礎(chǔ)研究的角度還是從應(yīng)用角度考慮都具有非常重要的科學(xué)和技術(shù)上的意義，通過(guò)這一研究，不僅有助于將當(dāng)代的基礎(chǔ)性研究向更深層次開拓，而且還會(huì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。