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脉冲强磁场科学与技术创新教育部引智基地

发表时间:2017-03-17 发布者: 浏览次数:1763

脉冲强磁场科学与技术创新教育部引智基地依托国家脉冲强磁场科学中心,主要从事脉冲强磁场相关的技术研究和基础科学研究。

磁性是物质的基本特性之一,磁场是诸多科学领域的基本研究工具。磁场可以改变和检验原子和分子的电子态能量和磁矩,因而导致形形色色的不同效应和相关实验技术的产生。近30年来,与磁场相关的诺贝尔奖就有11项,涵盖物理、化学、材料、医学等多个领域。2003年物理学奖所涉及的第二类超导体及超流理论、医学奖所涉及的核磁共振成像均是当今强磁场研究的活跃领域。脉冲强磁场实验装置是目前产生超高强度磁场最有效的手段之一,对凝聚态物理、材料科学、化学、生命科学、医学等领域的前沿基础研究有着重要的意义,能够为众多领域新课题的开辟、新理论的突破、新概念的形成提供一种先进而又不可替代的综合性研究平台。

一般说来,在室温下如果场强高于10T,物质中磁相互作用的效应会变得十分重要。高于100T,这种相互作用将会使物质的电子态发生显著的变化,导致电子的波函数发生强烈的收缩。相关的收缩尺度称为回旋半径(cyclotron radius),大致相当于分子或原子的直径。换言之,电子将会囚禁在分子或原子的尺度范围内,因而物质的性质会发生剧烈的变化就不足为怪了。在强磁场下,还会发生许多极端的量子效应。在目前的技术条件下,稳态强磁场还难以突破50T,利用脉冲强磁场技术获得50T以上的磁场,成为了许多重大科学问题研究的必然选择,因此世界主要发达国家相继建立了脉冲强磁场实验装置。

自上世纪三十年代起荷兰、法国等西方国家就已经建立了强磁场实验室,至八九十年代,日本、美国、德国相继建成大型脉冲强磁场实验装置,强磁场技术和强磁场下的测量技术和科学研究都已经发展得十分成熟。我们国家的强磁技术和强磁场下的科学研究起步较晚,与国外相比还有很大差距。为追赶发达国家先进水平,国家将强磁场实验装置(HMFF)列为国家“十一五”期间规划建设的九个重大科技基础设施(大科学工程)之一,包括脉冲强磁场实验装置(PHMFF)和稳态强磁场实验装置(SHMFF)。华中科技大学承建脉冲强磁场实验装置。近10年来,在自身艰苦创新和与国际合作结合的努力下,国家脉冲强磁场中心建成了国际一流的脉冲强磁场实验室。

从2008年4月正式开工建设,到2013年10月建设完成,国家脉冲强磁场科学中心多项技术指标达到国际一流水平。其中脉冲磁场强度达到90.6 T,使我国成为继美国、德国后世界上第三个突破90 T大关的国家;研制了电容型、发电机型、蓄电池型3种不同类型脉冲电源系统,电源种类在世界同类实验室中最为丰富,性能指标达到世界先进水平,其中电容型、发电机型电源规模均位居世界第二。已有7个科学实验测试系统投入试运行,接受剑桥大学、北京大学、清华大学、中科院物理所等国内外单位开展了400余项科学实验。该装置建设水平和速度得到了国际同行的高度评价,比利时鲁汶大学Fritz Herlach教授称赞道“它的建设速度是一个世界纪录”;在2011年第11期《Physics Today》杂志的报道中,已将我国脉冲强磁场中心与美、德、法等三国的脉冲强磁场国家实验室并列,并被描述为“最新的”、“正在快速赶上的”脉冲强磁场实验室。

脉冲强磁场科学与技术创新教育部引智基地研究方向包含工程技术和科学研究两大类,工程技术研究支撑科学研究的发展,科学研究的需求引导工程技术的进步。

1)工程技术研究分为非破坏性高脉冲磁体技术研究和强磁场下的科学实验测量技术两类。将随脉冲磁场强度的增高,不断更新完善脉冲强磁场下的科学测量技术,研究物质的电输运、磁输运、磁光特性、磁电耦合和压力效应等非常规量子效应行为。

2)脉冲强磁场下的科学研究,将包括以高温超导、强关联电子系统、半导体超晶格、重费米子、自旋电子学等为代表的物理和材料研究。

主要研究内容包括:

1)非破坏性高脉冲磁体的研制,包括磁体的分析设计、加工工艺等;

2)脉冲强磁场下的科学测量技术,包括磁化、电输运、磁光成像、电子自旋共振等物理性质的测量;

3)脉冲强磁场下的科学研究,包括高温超导体、拓扑绝缘体物性、重费米子体系、多铁性机理、低维半导体、单分子磁体、先进功能材料的核磁共振等。

该引智基地的工作目标是推动我国脉冲强磁场技术和强磁场下基础研究的跨越式发展,因而注重相关领域深度的国际合作。自2012年成立以来,在人员互访、人才培养、科研合作、学术会议等方面积极展开了与国际各大强磁场中心的合作交流。随着中心的发展与声誉提高,人员互访活动更加频繁,学术交流合作更加密切。来访的国外著名专家包括诺贝尔奖得主Klaus von Klitzing、德国强磁场实验室主任Joachim Wosnitza、日本东京大学物性研究所Shojiro Takeyama教授等30余人。同时,中心先后派出50余人次青年学者前往比利时鲁汶大学、德国德累斯顿强磁场实验室、法国国家强磁场实验室、美国洛斯阿拉莫斯脉冲强磁场实验室、日本东京大学、日本东北大学等国际著名研究机构学习交流。