超导材料科学及应用中的基础问题分析研究 .docx
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1、精品名师归纳总结工程名称: 超导材料科学及应用中的基础问题讨论首席科学家: 闻海虎中国科学院物理讨论所起止年限: 2006.1 至 2021.12依靠部门: 中国科学院可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一、讨论内容从总体上说本工程包括三个相互联系、相互推动的方面:1 )超导基础材料科学和物理问题讨论:包括新型超导材料探究和表征,超导重大科学前沿问题和限制应用的关键科学问题讨论,如特别规超导机理,磁通钉扎和磁通动力学问题。 2 )有用超导材料基础科学问题:如钇钡铜氧涂层导体和二硼化镁超导体应用中的基础问题讨论。 3 ) 超导结型器件的物理、工艺以及在应用中的基础问题讨论。新超导材料
2、探究是 基础,查找到任何有重要科学意义或重要有用价值的新型超导材料都将大大促进超导科学技术的进展,为国家争得荣誉。而超导重大科学前沿问题和限制应用的关键科学问题讨论是根本。由于超导基础讨论无非有两个根本的目标:要么在基础科学方面有重大发觉,促进科学本身的进展, 要么解决限制应用的关键科学问题,促进应用的进展。只有根本问题解决了,才能谈到很好的应用。举例来说,上个世纪50 岁月创立的描述 II 类超导体的理论,即 Ginzburg Landau理论2003年获得诺贝尔物理学奖)很好的描述了 II 类超导体的电磁场行为,人们依据这个理论预言了磁通线,混合态等重要概念,然后从试验上验证了它们的存在。
3、在此基础上,人们制备出强磁场的超导磁体,进一步进展出高清晰度的核磁成像,超导托卡马克,高能加速器等等。假如没有 Ginzburg Landau 理论从根本上熟悉到 II 类超导体的电磁规律,制备出强磁场超导磁体是不行想象的。因此第一个方向的课题极有可能获得重大原创性的成果。第一方向课题之间存在特别强的相互关联性。如发觉科学上具有重要意义的超导体,往往会促进超导机理的熟悉。反过来,超导机理的新熟悉会促进查找新型超导体。比如在竞争序超导体中,当竞争序被压制掉可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结以后,超导温度会有所提高。人们可以依据这个特点去查找新型的超导体。后 两个方向是开展本工程讨论
4、的最终目的, 即要解决我国重大战略需求中的一些重要问题。为明白决我国将来能源 液氮温度储能,变电和输电等)和交通中磁悬浮车)的突出问题,在众多的超导应用材料中,我们挑选两个对将来应用 普遍看好的核心材料,即钇钡铜氧涂层导体 所谓其次代超导带材)和二硼化镁超导体中的关键科学问题进行讨论,促进它们尽早产业化。另外,为明白决我国在将来先进医疗技术 SQUID 心磁仪,新型 MRI 技术)和国防上 SQUID探潜等)的需求,我们将开展超导结的材料和物理问题讨论,同时为具有前瞻性的应用工程做好基础科学方面的预备。要解决的关键科学问题包括:1. 努力查找到科学上有重要意义和 或)有重要有用价值的超导体。基
5、于这些新材料,在结构表征和物理讨论方面领先做出有重要影响的工作。2. 在高温超导机懂得决的过程中做出重要甚至是奠定性的工作,努力提出正确的模型和物理图象直至解决高温超导机理问题。在特别规竞争序超导体的机理方面有重要进展,并找出规律,给探究新型超导体供应指导。3. 提高有用超导体的临界电流、磁通钉扎才能和不行逆磁场。懂得复杂涡旋系统和尺寸受限超导体的磁通运动和相变规律。4. 弄清晰有用二硼化镁超导体和钇钡铜氧涂层导体成相和制备方法,提高钉扎和临界磁场,促进应用进展。5. 制备出亚微 M尺寸的高性能超导结器件。明确超导结器件电磁和高频特性以及配对、耦合和噪声等物理机理。深化懂得超导结器件的消相干机
6、理和可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结高温超导等离子体振荡的基本规律。探究新型超导结器件及其在各前沿领域中的有用方案。因此本工程以新超导材料探究为基础,以对超导重大科学问题和限制应用的关键问题的懂得为根本,以解决应用中关键科学问题为目的,本着有所为, 有所不为的精神,仔细挑选课题并细心组织队伍开展讨论。详细每个方向的讨论内容如下:I. 超导基础材料科学和物理问题讨论 设三个课题)I-1 :新型超导材料探究与表征(1) ) 掺杂 Mott绝缘体中的超导电性。(2) ) 新型含轻元素超导体的探究。(3) ) 有机超导体探究。(4) ) 激子超导体的探究。该课题的目标或要解决的关键科学
7、问题是期望通过将来5 年的努力,能够查找到科学上有重要意义和 或)有重要有用价值的超导体。并且基于这些新材料,在结构表征和物理讨论方面领先作出有重要影响的工作。I-2 :特别规超导机理讨论(1) ) 高温超导体电子态相图和超导配对对称性随掺杂浓度的变化。(2) ) 赝能隙的本质及其与超导的关系。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(3) ) 高温超导体的临界涨落特性讨论。(4) ) 竞争序超导电性讨论。该课题的目标或要解决的关键科学问题是在高温超导机懂得决的过程中做出重要甚至是奠定性的工作,努力提出正确的模型和物理图象。在特别规竞争序超导体的机理方面有重要进展,并尽可能找出规律,给
8、探究新型超导体供应指导。I-3 :有用超导体的临界电流问题和磁通动力学讨论 物理和化学方法增强临界电流密度和磁通钉扎才能。(2) ) Josephson涡旋动力学以及饼涡旋的相互作用。(3) ) 高温超导体不行逆磁场和磁通系统相变。(4) ) 受限系统的量子磁通态。本课题的目标及要解决的重大科学问题是:努力提高有用超导体的临界电流、磁通钉扎才能和不行逆磁场。讨论复杂涡旋系统和尺寸受限超导体磁通态的相变规律等等。II. 有用超导材料的基础科学问题 设二个课题)II-1 :新型有用超导材料二硼化镁有关基础科学问题讨论(1) ) 二硼化镁及其元素掺杂体系成相机理及相关物理化学特性讨论。(2) ) M
9、gB 2 超导薄膜及厚膜的物理化学气相沉积HPCVD )制备技术基础讨论。(3) ) 二硼化镁超导材料临界磁场和有效提高磁通钉扎手段的物理本质。(4) ) 有用化二硼化镁超导线带材成材技术基础问题。(5) ) 二硼化镁超导线带材应力应变特性及磁体制备相关电磁物理基础。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结II 2:新型有用超导材料钇钡铜氧涂层导体基础科学问题讨论(1) ) Ni 合金及立方织构 Ni 、Ni 基合金基带的制备与表征。(2) ) 种子层、隔离层、帽子层的挑选以及制备技术的制备与表征。(3) ) 超导层的制备和微结构讨论。(4) ) 涂层导体的相关超导电性的讨论。科学目标
10、:解决在柔性金属基带上制备高临界电流密度的钇钡铜氧带材的一系列基础科学问题III 超导结型器件的物理、工艺以及应用基础讨论设二个课题)III-1 :超导结型器件的物理、工艺及应用讨论1 )超导结的物理和工艺讨论超导结的结构和量子噪声物理。超导结的电磁输运和高频性质。超导结阵中的等离子体振荡及其应用。超导结器件的制备工艺开发。新的超导结物理和器件。新的超导量子比特的探究。超导结的性能和消相干的关系。超导量子比特与测量系统的可控耦合方式。检测器。宽带热电子测热辐射计HEB 。量子极限灵敏度外差式混频接收器等。超导结器件在经济、国防建设可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结中的安全保密等领
11、域将起重要作用的信息技术方面的应用:包括有用超导量子比特的探究。超导结的性能和消相干的关系等。超导结器件在生命科学、医疗保健等领域中太赫兹成像的应用: 主要是利用超导器件中的高速磁通流,等离子体振荡和约瑟夫逊效应等产生和接收太赫兹信号等。III-2 :超导介观系统量子现象及应用基础讨论1 )介观超导体中的超导量子现象的基本问题,器件物理和新的应用探究,包括亚微 M 尺度的高温超导本征结,亚微 M 介观 Nb 结和构成的 SQUID 中的物理性质,特殊是宏观量子现象的讨论。具有 1/2 磁通自发激化的 环的物理性质讨论。基于新型 MgB 2 超导体的 SQUID 器件的讨论。2 )开展超导 SQ
12、UID器件在磁成像方面的讨论,包括心磁和其它磁成像讨论中的关键问题。 SQUID 器件在 NMR 和 MRI 中的应用讨论。二、预期目标本工程的总体目标是在新型超导材料探究和重大科学问题讨论上力争突破,做出重要原始创新性的成果,促进科学的进展,为国家争得荣誉。在超导材料科学及应用基础讨论的主要方面,连续保持在世界前列。同时为我国超导高技术产业化解决基础科学问题。培育扎根国内并具有国际水准的优秀学术带头人,培育优秀的讨论生、博士生和博士后并充实到超导讨论队伍中。促进建可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结立我国基础材料和物理讨论,有用超导材料的科学评估,超导薄膜和器件工艺讨论平台。总目
13、标包括以下几个方面:1. 努力查找到科学上有重要意义和 或)有重要有用价值的超导体,为国家争得荣誉。争取查找到 1 5 种新型超导体,并且基于这些新材料,在结构表征和物理讨论方面领先做出有重要影响的工作。在新材料方面以专利的形式 爱护学问产权。2. 在高温超导机懂得决的过程中做出重要甚至是奠定性的工作,努力提出正确的模型和物理图象,直至解决高温超导机理问题。在特别规竞争序超导体的机理方面有重要进展,并找出规律,给探究新型超导体供应指导。同时建立有自己特色的先进的试验手段,能够从微观和电子态能谱上面直接获得信 息。3. 提高有用超导体的临界电流、磁通钉扎才能和不行逆磁场。懂得复杂涡旋系统和尺寸受
14、限超导体的磁通运动和相变规律。把这些成果有用到应用课题上,解决有用中的关键技术问题。4. 弄清晰有用二硼化镁超导体和钇钡铜氧涂层导体成相和制备方法,提高临界 电流和临界磁场,与相关的863应用工程配套,促进应用进展。使二硼化镁超导线材在20K下其临界磁场达到3 T 以上,临界电流密度达到10 5A/cm 2。钇钡铜氧涂层导体短样临界电流密度达到210 6 A/cm 2 以上。5. 以超导本征结和超导介观体系宏观量子现象为基础,开展超导电子学的研究。深化讨论超导结的工艺和物理,以此为基础开展SQUID器件的应用基础讨论,使得器件应用的水平有所提高,实现利用SQUID器件进行超低场可编辑资料 -
15、- - 欢迎下载精品名师归纳总结NMR和 MRI探测的讨论,完成二维成像的原理讨论。使我国在超导电子技术、电磁波检测技术、太赫兹成像技术、信息技术等国际前沿领域占有一席之的。最终以高水平学术论文扩大影响,以专利形式爱护学问产权。争取申请专利 20 25 项,发表学术论文 450 篇以上。三、讨论方案本工程包括三个主要讨论方向,共七个课题。这三个方向涵盖了从材料基础到前沿科学,到应用基础问题的讨论内容,它们相互关联和推动。下面分别表达每个方向上课题开展的主要技术途径、与国内外同类讨论相比的创新点与特色、取得重大突破的可行性分析。I:基础超导材料和物理问题讨论包括新型超导材料探究和表征,超导重大科
16、学前沿问题和限制应用的关键科学问题讨论,如特别规超导机理,磁通钉扎和磁通动力学问题在此方向上, 我们要强调原创性的发觉和结果,比如要推动发觉全新型超导体的探究,或解决重大科学前沿问题。这本身就具有很大的创新性。我们要在掺杂Mott绝缘体、新型轻元素体系、有机高分子材料以及一些激子系统中进行新超导体的探究。掺杂莫特绝缘体中由于电子之间的相互作用很强,电子的巡游性较差,能可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结带宽度与关联能可比拟,掺杂后所形成的金属相也不能用描述通常金属的费M液体模型来描述。在这个金属相中往往相伴着出人意料的奇特特性,如高温超导,巨磁电阻等等。另外,超导完全可能在很多轻元
17、素材料中被发觉。缘由是这些轻元素材料,往往德拜温度很高,假如费M 面有肯定的高电子态密度,就可能显现高温超导现象。二硼化镁就是这方面一个典型的例子。在很多有机材料中,电子具有巡游特性,因此有电导显现,在有些情形下会显现超导电性,而且其超导未必是通过声子媒介起作用的。目前有机超导体的温度已达 10 K 以上。很多学者认为,假如实现激子机制超导电性,那么超导临界温度 Tc 将会大幅度提高。但是到目前为止仍没有一个激子型超导体问世。现代的微加工技术和薄膜制备技术为进行激子超导体探究供应了契机。在测量技术上可以利用精密磁测量技术先发觉超导体抗磁信号,然后利用电输运测量技术来确认新的超导电性。任何具有新
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