超导材料科学及应用中的基础问题研究课题开题报告.doc

项目名称：

超导材料科学及应用中的基础问题研究

首席科学家：

闻海虎中国科学院物理研究所

起止年限：

20241至202412

依托部门：

中国科学院

一研究内容

从总体上说本项目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研究：包括新型超导材料探索和表征，超导重大科学前沿问题和限制应用的关键科学问题研究，如非常规超导机理，磁通钉扎和磁通动力学问题；（2）实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研究；（3）超导结型器件的物理工艺以及在应用中的基础问题研究。

新超导材料探索是基础，寻找到任何有重要科学意义或重要实用价值的新型超导材料都将大大促进超导科学技术的发展，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研究是根本。因为超导基础研究无非有两个根本的目标：要么在基础科学方面有重大发现，促进科学本身的发展，要么解决限制应用的关键科学问题，促进应用的发展。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年代创立的描述II类超导体的理论，即Ginzburg－Landau理论（2003年获得诺贝尔物理学奖）很好地描述了II类超导体的电磁场行为，人们根据这个理论预言了磁通线，混合态等重要概念，然后从实验上验证了它们的存在。在此基础上，人们制备出强磁场的超导磁体，进一步发展出高清晰度的核磁成像，超导托卡马克，高能加速器等等。如果没有Ginzburg－Landau理论从根本上认识到II类超导体的电磁规律，制备出强磁场超导磁体是不可想象的。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非常强的相互关联性。如发现科学上具有重要意义的超导体，往往会促进超导机理的认识。反过来，超导机理的新认识会促进寻找新型超导体。比如在竞争序超导体中，当竞争序被压制掉以后，超导温度会有所提高。人们可以根据这个特点去寻找新型的超导体。后两个方向是开展本项目研究的最终目的，即要解决我国重大需求中的一些重要问题。为了解决我国未来能源（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，我们选择两个对未来应用普遍看好的核心材料，即钇钡铜氧涂层导体（所谓第二代超导带材）和二硼化镁超导体中的关键科学问题进行研究，促进它们尽早产业化。另外，为了解决我国在未来先进医疗技术（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研究，同时为具有前瞻性的应用项目做好基础科学方面的准备。

要解决的关键科学问题包括：

努力寻找到科学上有重要意义和（或）有重要实用价值的超导体。基于这些新材料，在结构表征和物理研究方面率先做出有重要影响的工作。

在高温超导机理解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；在非常规竞争序超导体的机理方面有重要进展，并找出规律，给探索新型超导体提供指导。

提高实用超导体的临界电流磁通钉扎能力和不可逆磁场；理解复杂涡旋系统和尺寸受限超导体的磁通运动和相变规律。

弄清楚实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，促进应用发展。

制备出亚微米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；深入理解超导结器件的消相干机理和高温超导等离子体振荡的基本规律；探索新型超导结器件及其在各前沿领域中的实用方案。

因此本项目以新超导材料探索为基础，以对超导重大科学问题和限制应用的关键问题的理解为根本，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，认真选择课题并精心组织队伍开展研究。

具体每个方向的研究内容如下：

I超导基础材料科学和物理问题研究（设三个课题）

I-1：新型超导材料探索与表征

掺杂Mott绝缘体中的超导电性；

新型含轻元素超导体的探索；

有机超导体探索；

激子超导体的探索。

该课题的目标或要解决的关键科学问题是希望通过未来5年的努力，能够寻找到科学上有重要意义和（或）有重要实用价值的超导体。并且基于这些新材料，在结构表征和物理研究方面率先作出有重要影响的工作。

I-2：非常规超导机理研究

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；

赝能隙的本质及其与超导的关系；

高温超导体的临界涨落特性研究；

竞争序超导电性研究。

该课题的目标或要解决的关键科学问题是在高温超导机理解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；在非常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，给探索新型超导体提供指导。

I-3：实用超导体的临界电流问题和磁通动力学研究

物理和化学方法增强临界电流密度和磁通钉扎能力；

Josephson