強磁場下的基礎科學發展態勢分析

磁場是調控物質量子態的重要參量，在發現新現象、揭示新規律、探索新材料、催生新技術等方面具有不可替代的作用。國際上依託強磁場條件開展的科學研究工作非常活躍，涉及眾多學科，特別在高溫超導、磁學和磁性材料、量子材料、半導體和有機固體及生命科學等領域頻頻有重要發現。自 1913 年以來，已有多項與強磁場相關的成果獲得了諾貝爾獎。

強磁場裝置是支持物理學、化學、材料科學和生命科學等諸多學科前沿探索的有力武器。隨著強磁場技術的發展，磁場強度不斷提高，強磁場極端條件下的研究領域日益豐富並已取得越來越多的研究進展。當前國內外的研究方向主要集中在以下幾個方面。

磁學

磁學是研究物質磁性及與磁場有關現象的學科。任何物質都具有某種磁性，任何空間都存在一定的磁場。在對磁學現象的長期探索和對物質磁性不斷研究的過程中，產生了很多具有深遠影響的重大研究成果。磁場對於磁學的研究發展具有決定性的作用，是調控物質磁性的直接手段。強磁場產生的塞曼能量已經足以和交換作用、熱漲落或量子漲落競爭，因而成為驅動和調控新奇物態的有力工具。在磁學與磁性材料的研究中，與強磁場密切相關的研究內容主要包括強磁場下的量子磁性現象研究、強磁場下關聯電子體系中的演生現象、強磁場誘導的變磁轉變、強磁場下的拓撲磁性等。最近的實驗表明，在低溫下，強磁場可能導致量子自旋向列相、在阻挫磁體中誘導出磁化強度平臺、在金屬 — 有機框架材料中導致共振量子磁電耦合效應、巡遊電子體系或反鐵磁體系的磁結構改變等新奇物理現象。目前對於這些行為還缺乏深入的認識，值得未來進一步依託強磁場條件開展系統的研究。

半導體物理學

半導體物理學作為凝聚態物理學的一個重要分支，不僅是當代電子工業的基礎，而且對基礎科學有巨大的推動作用。磁場能夠顯著改變半導體材料的特性：一方面，在各種物理因素中，磁場可以在保持晶體結構不變的情況下改變動量空間對稱性；另一方面，強磁場下迴旋共振能（ћω）可以接近甚至超過半導體材料中的費米能及載流子間庫侖相互作用等各種固有能量，因而在半導體能帶結構和元激發及其相互作用研究中，磁場有特別重要的意義。通過對強磁場下半導體材料的光學、電學、熱力學等特性的研究，可以進一步理解和把握半導體中的光子、電子、自旋、聲子等基本量子態，為製造具有各種新功能的半導體器件進行基礎性探索。強磁場下的半導體物理學研究主要集中在以下四個方面。

（1）強磁場下的材料生長和製備。在半導體晶體生長的過程中加入磁場，通過在導電熔體中產生的洛倫茲力控制和改善熔體的對流結構和強度，可以顯著地提高晶體質量；在半導體磁性材料的結晶凝固、固態相變及燒結過程中，利用不同組成相磁性能的差異，改變磁場的方向和強度可以影響材料的組織結構和晶粒取向；在半導體納米材料製備領域中，強磁場的作用可以使納米粉體在燒結過程中仍然保持很高的各向異性，還可以引起納米材料晶格的畸變，是製備高性能的半導體納米材料的一個有效手段。

（2）強磁場誘導的量子現象。強磁場下最典型的量子現象是量子霍爾效應，量子霍爾效應領域的進展與強磁場技術的發展密不可分。過去幾年中，拓撲量子材料已經成為物理學領域最激動人心的研究前沿之一。這些材料有許多以前不曾想像的顯著特性，而強磁場在這類材料的探索中發揮了極其重要的作用。強磁場還在重費米子的磁性量子相變、自旋液體與自旋冰的量子相變及 TaAs 等拓撲半金屬材料的量子相變研究中起到了重要作用。

（3）強磁場下的光譜學和波譜學。半導體的光譜學和波譜學主要研究輻射在半導體材料中產生、傳播、湮滅、散射等行為的規律，提供有關半導體材料的能帶結構、聲子結構、束縛和自由載流子行為等最基本的物理性質、物理參數的信息。強磁場可以顯著地影響半導體材料的能帶結構及載流子的行為。因此，將強磁場技術與半導體材料的光譜學和波譜學研究相結合，可以使我們更深刻地理解半導體材料中的物理現象及其本質。

（4）強磁場下半導體低維體系。在不同維度下給電子體系施加量子限域通常可以顯著改變材料的性能並發現新的物理現象。人們利用強磁場研究一維體系的自旋軌道相互作用、關閉半導體納米管的帶隙、誘導自旋極化和阿哈羅諾夫-玻姆效應（Aharonov-Bohmeff ect），從而獲得關於一維量子線基本相互作用的重要信息。通過對強磁場下量子點發光譜及輸運性質的研究，為量子點在半導體光電子器件和量子通信中的應用提供了更多的理論和實驗依據。

非常規超導體

在超導體研究中，磁場是一種調控超導態的有效手段，不但可以幫助我們了解不同超導態自身的特性，還能揭示隱藏在超導態之下的「正常態」或「競爭態」等相關物理性質，甚至可以誘導新奇的超導態，是探索超導現象和機理的重要手段之一。當前強磁場下非常規超導體研究主要包括以下幾個方面。

（1）非常規超導體在強磁場下的超導能隙對稱性研究。超導能隙對稱性作為超導態的一個重要屬性，對其深入了解將有助於我們對超導態配對機理的理解。對於非常規超導體，其超導能隙往往具有節點，通過研究超導態的低能激發模式可以判定其超導能隙對稱性。強磁場可以有效地增強並調控超導態的低能激發，通過研究非常規超導體的低能激發隨磁場的依賴關係，並結合相關理論模型可以判定其超導態的能隙對稱性。我國科學家利用磁場下的熱導率測量系統判定了鐵基高溫超導體的超導配對對稱性，美國科學家利用掃描隧道顯微鏡揭示了鐵基超導體具有軌道選擇的電子配對，這些工作為理解鐵基超導體的配對對稱性提供了重要信息。

（2）非常規超導體中的非費米液體行為。實驗表明，在最佳摻雜處（T c 最高處），由於贗能隙的消失，將會是研究非費米液體行為的最佳選擇。但由於該區域超導轉變溫度較高，往往需要強磁場來抑制超導電性來獲得非費米液體態。在對不同超導體系的研究中發現，線性電阻率行為表現出較為一致的與量子臨界的相互關聯，表明量子臨界點可能是導致線性電阻所對應的非費米液體行為的物理原因。

（3）非常規超導體中競爭序在強磁場下的研究。由於關聯效應，非常規超導體中的超導態通常會與多種電子有序相存在競爭共存現象。研究超導態與這些有序相之間的關係，將會幫助我們更好地理解非常規超導電性的物理機制。最近的強磁場下的核磁共振實驗揭示了釔鋇銅氧（Yttrium Barium Copper Oxide，化學式YBa2Cu3O7 ，YBCO）類銅氧化物超導體中存在著電荷有序相；在鐵基超導體中則發現存在破壞晶格旋轉對稱性的電子液晶相。

（4）非常規超導體中的量子相變和量子臨界現象。量子臨界點對於描述非費米液體金屬、高溫超導體等強關聯體系是至關重要的。除了外加壓力和化學摻雜以外，強磁場也是誘導量子相變的一個重要的外界調節參量。另外，發生量子相變的體系中往往存在費米面結構重組等電子結構的變化。這些電子結構的變化，可以利用強磁場下的霍爾效應測量和量子振蕩等方法來探測。

（5）磁場誘導的新奇超導態。強磁場不但可以抑制超導態，而且還可能誘導出一些新奇的超導態。在CeCoIn5 重費米子超導體中，實驗發現，在接近其上臨界場時，體系會進入一種具有長程反鐵磁性的狀態且仍然處於超導混合態，最近，在鐵基超導體 KFe2As2中，也有人提出可能存在富爾德-費雷爾-拉爾金-奧夫欽尼科夫態（Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state， 簡稱 FFLO 態），並且通過高場比熱發現了反常的上臨界磁場的溫度依賴行為。另外，對於具有較強內秉磁場的非常規超導體，在磁場迅速抑制超導態後，還有可能出現磁場誘導的超導態再入現象。例如，在有機超導體λ-(BETS) 2 FeCl4 中發現有磁場誘導的超導電性。對這些新奇超導態的研究將大大豐富和提高我們對超導態的認識和調控能力。

（6）強磁場下超導體的磁通動力學研究。超導體的強電應用需要高臨界電流密度作為其物理基礎。由於在強磁場和高電流密度下處於混合態的Ⅱ類超導體中的磁通線受到極大的驅動力而運動，因此出現磁通流阻而極大地降低了臨界電流密度。對高溫超導體混合態的磁通液體、磁通玻璃、磁通格子之間的變化規律的研究，有助於認識這種「磁通物質」中的物理學，對超導體的應用具有重大意義。

（7）強磁場下的低維超導電性研究。超導體的維度和各向異性關係到磁通線的結構和運動，對超導體的應用具有重大影響。此外，界面超導電性已經成為當前的一個熱點問題。在準一維超導體中還發現強磁場可能會誘發奇特的維度渡越行為。

重費米子

重費米子化合物是一類典型的強關聯電子體系，通常存在於含有 f — 電子的鑭系或錒系金屬間化合物中。重費米子材料表現出異常豐富的物理現象，是探索新穎量子物質態及其規律、實現量子態操作與調控的重要體系。強磁場為研究重費米子物理學提供了一個新的維度。利用強磁場實驗條件，人們在認識重費米子材料的電子結構、非常規超導態的產生機理、量子相變的內稟性質、變磁相變及相關性質等諸多科學問題上都取得了重要進展。隨著高端實驗技術的發展，人們開始利用分子束外延生長、掃描隧道顯微鏡、角分辨電子光譜、非彈性中子散射、共振非彈性 X 射線散射及極端條件物性測量等實驗手段來研究重費米子物理學，這些先進實驗測量方法的完善及在重費米子材料中的應用將是今後一段時間的重點發展方向，為人們認識複雜體系中的多體相互作用及其調控提供新的契機。

最近，重費米子物理學與凝聚態物理學的其他重要前沿領域相結合，催生了一些新的研究方向，如重費米子拓撲物理學、重費米子自旋阻挫體系、重費米子薄膜和界面物理學等。強磁場與上述交叉研究領域相結合將產生更多新的發現或突破，進而拓展新的研究方向。

量子輸運

在凝聚態物理學中，強磁場中的輸運性質研究佔據著極為重要的地位。在 20 世紀初期，物理學家利用強磁場中的舒布尼科夫-德哈斯效應（Shubnikov-de Haas effct）和德哈斯-範阿爾芬效應（deHaas-van Alphen eff ect）量子振蕩測量來獲得關於金屬材料費米面的直接信息，這極大地促進了早期凝聚態理論，特別是能帶理論的建立和發展。20 世紀 80 年代，整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗發現將量子輸運性質研究推進到一個新的高峰，為凝聚態物理學的發展開闢了全新的領域。近年來，以石墨烯和黑磷為代表的二維材料，以拓撲絕緣體和拓撲半金屬為代表的拓撲電子材料體系成為強磁場中量子輸運研究的新前沿。

量子計算

量子計算研究具有基礎性、前瞻性和戰略性，是未來信息技術發展的重要戰略性方向，同時也將對信息科學、量子科學、材料科學等諸多領域的科學發展和技術進步起到重要的推動作用，對經濟和社會的發展產生難以估量的影響。強磁場可以為解決基於自旋的固態量子計算研究的相關關鍵問題，如退相干研究、量子比特操控及量子比特尋址等，提供非常有利的支撐條件。

量子計算研究目前已經取得令人矚目的進展，理論與實驗都證明了量子計算的可行性和優越性。在諸多量子計算實驗體系中，基於固態電子自旋體系的量子計算是當前量子信息研究領域的焦點。固態自旋量子比特可以與光子、機械振子、超導量子比特等體系進行耦合，為雜化量子計算提供了有力的平臺。作為目前唯一可能實現室溫固態量子計算的體系，金剛石 N-V 自旋系統的研究近期呈現極為迅猛的發展趨勢，從 1997 年首次觀測到金剛石中單個 N-V 色心電子自旋的磁共振信號以來，經過 20 多年時間，量子計算所需要的基本單元一一在金剛石自旋系統中得以實現。未來該體系的發展已進入通過發展高精度的量子比特操縱和規模化擴展技術研製通用量子計算原型機的階段。

材料科學

材料科學與強磁場技術的交叉催生了強磁場材料科學這一新興的前沿研究領域。利用金屬原子固有的磁性及各組成相的磁性差異，將強磁場應用於材料的處理過程，使得新現象、新理論和新技術產生的可能性大大增加。研究發現，強磁場可以改變形核過程，通過提高過冷度或晶粒扭斷增殖機制細化材料的微觀組織；強磁場可以改變相的生長方式，對於具有磁晶各向異性的晶體可以形成織構，易磁化的相會沿著磁場形成定向排列；強磁場可以誘發組織形態演變，如枝晶 — 胞晶、規則共晶 — 非規則共晶轉變；強磁場可以改變組織演化規律，如調控初生相的析出過程，改變不同相的含量；強磁場可以調控材料缺陷分布和組織均勻性，如減少宏 / 微觀偏析、形成梯度組織等。強磁場的這些特殊作用效果用於材料處理過程可以對組織和缺陷進行調控，從而達到改善材料性能的作用。國際上普遍認為，強磁場下材料製備必將使材料製備技術大為改觀，甚至產生飛躍，其前景極其廣闊。

磁化學與合成

磁學與化學的結合，即研究磁場對化學反應的影響是 20 世紀後期物理化學的重要成就之一。強磁場作為一種極端條件的特殊電磁場形態，能夠將高強度的能量無接觸地傳遞到物質的原子尺度，改變電子結構、原子和分子的排列、材料生長基元的匹配和遷移等，從而對材料的合成和性能產生巨大的影響。早期磁場影響化學反應的研究主要涉及磁場對有機光化學反應和有機聚合反應的影響。隨著研究的不斷深入，研究範圍也更加廣泛。近幾年來，磁場對電化學反應及無機固體材料製備的影響也有較多報導。研究發現，磁場對固相、液相及氣相化學反應均有顯著的影響，主要集中在：磁場對化學反應路徑、速率與產率的影響；磁場對化學反應產物的物相、結構與性能的影響。雖然磁場已經應用於化學研究領域中，發現了大量有重大理論和應用價值的現象，顯示出磁場在這個領域廣闊的應用前景，但是很多工作都是在較弱磁場下開展的，強磁場在化學學科中的應用還處於初期階段，研究方法和手段還需要完善。

生命科學

依託強磁場實驗裝置發展的一系列穩態強磁場極端實驗平臺和多種測試手段，不僅為研究磁場對生物體產生的影響提供了平臺，並且磁場強度的升高也極大地提高了核磁共振和磁共振成像的解析度和檢測能力，從而為開展各種生命科學相關問題的研究提供了新的實驗條件，為獲得新發現、新突破提供了機遇。在國際上，依託強磁場條件開展的生命科學相關研究工作非常活躍，世界上五大穩態強磁場實驗裝置，包括合肥強磁場裝置在內，都非常重視生命科學相關研究，特別是核磁共振和磁共振成像技術的發展與應用，從而極大地推動了近年來現代生物醫學的研究。磁場生物學主要是研究磁場對生物體的影響。目前關於磁場生物學，國內外相關研究主要集中在磁場安全性、磁場生物學效應機理、磁場在疾病治療中的潛在應用及磁感應機制研究。在生物核磁共振譜學研究中，在研究與重大疾病相關的重要蛋白的結構解析、動力學分析及其功能，設計和開發小分子及多肽類藥物，開展藥物篩選、藥效及代謝產物分析等方面取得了重要進展。在磁共振生物成像研究領域，高場相位成像、磁共振微成像技術是新興的熱點方向。

本文摘編自中國科學院組織編寫的《強磁場下的基礎科學問題》一書。標題為編者所加。點擊擴展連結可以購書。

」中國學科發展戰略」叢書是中國科學院組織數百位院士專家聯合研究的系列成果，涉及自然科學各學科領域，是目前規模最大的學科發展戰略研究項目。《中國學科發展戰略· 強磁場下的基礎科學問題》旨在講述在強磁場條件下開展物理學、材料科學、化學、生命科學等學科的新技術和新方法研究進展。書中重點介紹了磁學與磁性材料、半導體材料和物理學、超導體和物理學、重費米子體系、量子輸運和量子計算、材料科學和強磁場條件下的樣品合成、生命科學等學科的進展，並對上述學科提出了優先發展方向和發展建議。全書共分為九章，分別為磁學、半導體物理學、非常規超導體、重費米子、量子輸運、量子計算、材料科學、磁化學與合成和生命科學。