磁场是调控物质量子态的重要参量，在发现新现象、揭示新规律、探索新材料、催生新技术等方面具有不可替代的作用。国际上依托强磁场条件开展的科学研究工作非常活跃，涉及众多学科，特别在高温超导、磁学和磁性材料、量子材料、半导体和有机固体及生命科学等领域频频有重要发现。自 1913 年以来，已有多项与强磁场相关的成果获得了诺贝尔奖。

强磁场装置是支持物理学、化学、材料科学和生命科学等诸多学科前沿探索的有力武器。随着强磁场技术的发展，磁场强度不断提高，强磁场极端条件下的研究领域日益丰富并已取得越来越多的研究进展。当前国内外的研究方向主要集中在以下几个方面。

磁学是研究物质磁性及与磁场有关现象的学科。任何物质都具有某种磁性，任何空间都存在一定的磁场。在对磁学现象的长期探索和对物质磁性不断研究的过程中，产生了很多具有深远影响的重大研究成果。磁场对于磁学的研究发展具有决定性的作用，是调控物质磁性的直接手段。强磁场产生的塞曼能量已经足以和交换作用、热涨落或量子涨落竞争，因而成为驱动和调控新奇物态的有力工具。在磁学与磁性材料的研究中，与强磁场密切相关的研究内容主要包括强磁场下的量子磁性现象研究、强磁场下关联电子体系中的演生现象、强磁场诱导的变磁转变、强磁场下的拓扑磁性等。最近的实验表明，在低温下，强磁场可能导致量子自旋向列相、在阻挫磁体中诱导出磁化强度平台、在金属 — 有机框架材料中导致共振量子磁电耦合效应、巡游电子体系或反铁磁体系的磁结构改变等新奇物理现象。目前对于这些行为还缺乏深入的认识，值得未来进一步依托强磁场条件开展系统的研究。

半导体物理学作为凝聚态物理学的一个重要分支，不仅是当代电子工业的基础，而且对基础科学有巨大的推动作用。磁场能够显著改变半导体材料的特性：一方面，在各种物理因素中，磁场可以在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性；另一方面，强磁场下回旋共振能（ћω）可以接近甚至超过半导体材料中的费米能及载流子间库仑相互作用等各种固有能量，因而在半导体能带结构和元激发及其相互作用研究中，磁场有特别重要的意义。通过对强磁场下半导体材料的光学、电学、热力学等特性的研究，可以进一步理解和把握半导体中的光子、电子、自旋、声子等基本量子态，为制造具有各种新功能的半导体器件进行基础性探索。强磁场下的半导体物理学研究主要集中在以下四个方面。

（1）强磁场下的材料生长和制备。在半导体晶体生长的过程中加入磁场，通过在导电熔体中产生的洛伦兹力控制和改善熔体的对流结构和强度，可以显著地提高晶体质量；在半导体磁性材料的结晶凝固、固态相变及烧结过程中，利用不同组成相磁性能的差异，改变磁场的方向和强度可以影响材料的组织结构和晶粒取向；在半导体纳米材料制备领域中，强磁场的作用可以使纳米粉体在烧结过程中仍然保持很高的各向异性，还可以引起纳米材料晶格的畸变，是制备高性能的半导体纳米材料的一个有效手段。

（2）强磁场诱导的量子现象。强磁场下最典型的量子现象是量子霍尔效应，量子霍尔效应领域的进展与强磁场技术的发展密不可分。过去几年中，拓扑量子材料已经成为物理学领域最激动人心的研究前沿之一。这些材料有许多以前不曾想象的显著特性，而强磁场在这类材料的探索中发挥了极其重要的作用。强磁场还在重费米子的磁性量子相变、自旋液体与自旋冰的量子相变及 TaAs 等拓扑半金属材料的量子相变研究中起到了重要作用。

（3）强磁场下的光谱学和波谱学。半导体的光谱学和波谱学主要研究辐射在半导体材料中产生、传播、湮灭、散射等行为的规律，提供有关半导体材料的能带结构、声子结构、束缚和自由载流子行为等最基本的物理性质、物理参数的信息。强磁场可以显著地影响半导体材料的能带结构及载流子的行为。因此，将强磁场技术与半导体材料的光谱学和波谱学研究相结合，可以使我们更深刻地理解半导体材料中的物理现象及其本质。

（4）强磁场下半导体低维体系。在不同维度下给电子体系施加量子限域通常可以显著改变材料的性能并发现新的物理现象。人们利用强磁场研究一维体系的自旋轨道相互作用、关闭半导体纳米管的带隙、诱导自旋极化和阿哈罗诺夫-玻姆效应（Aharonov-Bohmeff ect），从而获得关于一维量子线基本相互作用的重要信息。通过对强磁场下量子点发光谱及输运性质的研究，为量子点在半导体光电子器件和量子通信中的应用提供了更多的理论和实验依据。

在超导体研究中，磁场是一种调控超导态的有效手段，不但可以帮助我们了解不同超导态自身的特性，还能揭示隐藏在超导态之下的“正常态”或“竞争态”等相关物理性质，甚至可以诱导新奇的超导态，是探索超导现象和机理的重要手段之一。当前强磁场下非常规超导体研究主要包括以下几个方面。

（1）非常规超导体在强磁场下的超导能隙对称性研究。超导能隙对称性作为超导态的一个重要属性，对其深入了解将有助于我们对超导态配对机理的理解。对于非常规超导体，其超导能隙往往具有节点，通过研究超导态的低能激发模式可以判定其超导能隙对称性。强磁场可以有效地增强并调控超导态的低能激发，通过研究非常规超导体的低能激发随磁场的依赖关系，并结合相关理论模型可以判定其超导态的能隙对称性。我国科学家利用磁场下的热导率测量系统判定了铁基高温超导体的超导配对对称性，美国科学家利用扫描隧道显微镜揭示了铁基超导体具有轨道选择的电子配对，这些工作为理解铁基超导体的配对对称性提供了重要信息。

（2）非常规超导体中的非费米液体行为。实验表明，在最佳掺杂处（T c 最高处），由于赝能隙的消失，将会是研究非费米液体行为的最佳选择。但由于该区域超导转变温度较高，往往需要强磁场来抑制超导电性来获得非费米液体态。在对不同超导体系的研究中发现，线性电阻率行为表现出较为一致的与量子临界的相互关联，表明量子临界点可能是导致线性电阻所对应的非费米液体行为的物理原因。

（3）非常规超导体中竞争序在强磁场下的研究。由于关联效应，非常规超导体中的超导态通常会与多种电子有序相存在竞争共存现象。研究超导态与这些有序相之间的关系，将会帮助我们更好地理解非常规超导电性的物理机制。最近的强磁场下的核磁共振实验揭示了钇钡铜氧（Yttrium Barium Copper Oxide，化学式YBa2Cu3O7 ，YBCO）类铜氧化物超导体中存在着电荷有序相；在铁基超导体中则发现存在破坏晶格旋转对称性的电子液晶相。

（4）非常规超导体中的量子相变和量子临界现象。量子临界点对于描述非费米液体金属、高温超导体等强关联体系是至关重要的。除了外加压力和化学掺杂以外，强磁场也是诱导量子相变的一个重要的外界调节参量。另外，发生量子相变的体系中往往存在费米面结构重组等电子结构的变化。这些电子结构的变化，可以利用强磁场下的霍尔效应测量和量子振荡等方法来探测。

（5）磁场诱导的新奇超导态。强磁场不但可以抑制超导态，而且还可能诱导出一些新奇的超导态。在CeCoIn5 重费米子超导体中，实验发现，在接近其上临界场时，体系会进入一种具有长程反铁磁性的状态且仍然处于超导混合态，最近，在铁基超导体 KFe2As2中，也有人提出可能存在富尔德-费雷尔-拉尔金-奥夫钦尼科夫态（Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state， 简称 FFLO 态），并且通过高场比热发现了反常的上临界磁场的温度依赖行为。另外，对于具有较强内秉磁场的非常规超导体，在磁场迅速抑制超导态后，还有可能出现磁场诱导的超导态再入现象。例如，在有机超导体λ-(BETS) 2 FeCl4 中发现有磁场诱导的超导电性。对这些新奇超导态的研究将大大丰富和提高我们对超导态的认识和调控能力。

（6）强磁场下超导体的磁通动力学研究。超导体的强电应用需要高临界电流密度作为其物理基础。由于在强磁场和高电流密度下处于混合态的Ⅱ类超导体中的磁通线受到极大的驱动力而运动，因此出现磁通流阻而极大地降低了临界电流密度。对高温超导体混合态的磁通液体、磁通玻璃、磁通格子之间的变化规律的研究，有助于认识这种“磁通物质”中的物理学，对超导体的应用具有重大意义。

（7）强磁场下的低维超导电性研究。超导体的维度和各向异性关系到磁通线的结构和运动，对超导体的应用具有重大影响。此外，界面超导电性已经成为当前的一个热点问题。在准一维超导体中还发现强磁场可能会诱发奇特的维度渡越行为。

重费米子化合物是一类典型的强关联电子体系，通常存在于含有 f — 电子的镧系或锕系金属间化合物中。重费米子材料表现出异常丰富的物理现象，是探索新颖量子物质态及其规律、实现量子态操作与调控的重要体系。强磁场为研究重费米子物理学提供了一个新的维度。利用强磁场实验条件，人们在认识重费米子材料的电子结构、非常规超导态的产生机理、量子相变的内禀性质、变磁相变及相关性质等诸多科学问题上都取得了重要进展。随着高端实验技术的发展，人们开始利用分子束外延生长、扫描隧道显微镜、角分辨电子光谱、非弹性中子散射、共振非弹性 X 射线散射及极端条件物性测量等实验手段来研究重费米子物理学，这些先进实验测量方法的完善及在重费米子材料中的应用将是今后一段时间的重点发展方向，为人们认识复杂体系中的多体相互作用及其调控提供新的契机。

最近，重费米子物理学与凝聚态物理学的其他重要前沿领域相结合，催生了一些新的研究方向，如重费米子拓扑物理学、重费米子自旋阻挫体系、重费米子薄膜和界面物理学等。强磁场与上述交叉研究领域相结合将产生更多新的发现或突破，进而拓展新的研究方向。

在凝聚态物理学中，强磁场中的输运性质研究占据着极为重要的地位。在 20 世纪初期，物理学家利用强磁场中的舒布尼科夫-德哈斯效应（Shubnikov-de Haas eff ect）和德哈斯-范阿尔芬效应（deHaas-van Alphen eff ect）量子振荡测量来获得关于金属材料费米面的直接信息，这极大地促进了早期凝聚态理论，特别是能带理论的建立和发展。20 世纪 80 年代，整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现将量子输运性质研究推进到一个新的高峰，为凝聚态物理学的发展开辟了全新的领域。近年来，以石墨烯和黑磷为代表的二维材料，以拓扑绝缘体和拓扑半金属为代表的拓扑电子材料体系成为强磁场中量子输运研究的新前沿。

量子计算研究具有基础性、前瞻性和战略性，是未来信息技术发展的重要战略性方向，同时也将对信息科学、量子科学、材料科学等诸多领域的科学发展和技术进步起到重要的推动作用，对经济和社会的发展产生难以估量的影响。强磁场可以为解决基于自旋的固态量子计算研究的相关关键问题，如退相干研究、量子比特操控及量子比特寻址等，提供非常有利的支撑条件。

量子计算研究目前已经取得令人瞩目的进展，理论与实验都证明了量子计算的可行性和优越性。在诸多量子计算实验体系中，基于固态电子自旋体系的量子计算是当前量子信息研究领域的焦点。固态自旋量子比特可以与光子、机械振子、超导量子比特等体系进行耦合，为杂化量子计算提供了有力的平台。作为目前唯一可能实现室温固态量子计算的体系，金刚石 N-V 自旋系统的研究近期呈现极为迅猛的发展趋势，从 1997 年首次观测到金刚石中单个 N-V 色心电子自旋的磁共振信号以来，经过 20 多年时间，量子计算所需要的基本单元一一在金刚石自旋系统中得以实现。未来该体系的发展已进入通过发展高精度的量子比特操纵和规模化扩展技术研制通用量子计算原型机的阶段。

材料科学与强磁场技术的交叉催生了强磁场材料科学这一新兴的前沿研究领域。利用金属原子固有的磁性及各组成相的磁性差异，将强磁场应用于材料的处理过程，使得新现象、新理论和新技术产生的可能性大大增加。研究发现，强磁场可以改变形核过程，通过提高过冷度或晶粒扭断增殖机制细化材料的微观组织；强磁场可以改变相的生长方式，对于具有磁晶各向异性的晶体可以形成织构，易磁化的相会沿着磁场形成定向排列；强磁场可以诱发组织形态演变，如枝晶 — 胞晶、规则共晶 — 非规则共晶转变；强磁场可以改变组织演化规律，如调控初生相的析出过程，改变不同相的含量；强磁场可以调控材料缺陷分布和组织均匀性，如减少宏 / 微观偏析、形成梯度组织等。强磁场的这些特殊作用效果用于材料处理过程可以对组织和缺陷进行调控，从而达到改善材料性能的作用。国际上普遍认为，强磁场下材料制备必将使材料制备技术大为改观，甚至产生飞跃，其前景极其广阔。

磁学与化学的结合，即研究磁场对化学反应的影响是 20 世纪后期物理化学的重要成就之一。强磁场作为一种极端条件的特殊电磁场形态，能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变电子结构、原子和分子的排列、材料生长基元的匹配和迁移等，从而对材料的合成和性能产生巨大的影响。早期磁场影响化学反应的研究主要涉及磁场对有机光化学反应和有机聚合反应的影响。随着研究的不断深入，研究范围也更加广泛。近几年来，磁场对电化学反应及无机固体材料制备的影响也有较多报道。研究发现，磁场对固相、液相及气相化学反应均有显著的影响，主要集中在：磁场对化学反应路径、速率与产率的影响；磁场对化学反应产物的物相、结构与性能的影响。虽然磁场已经应用于化学研究领域中，发现了大量有重大理论和应用价值的现象，显示出磁场在这个领域广阔的应用前景，但是很多工作都是在较弱磁场下开展的，强磁场在化学学科中的应用还处于初期阶段，研究方法和手段还需要完善。

依托强磁场实验装置发展的一系列稳态强磁场极端实验平台和多种测试手段，不仅为研究磁场对生物体产生的影响提供了平台，并且磁场强度的升高也极大地提高了核磁共振和磁共振成像的分辨率和检测能力，从而为开展各种生命科学相关问题的研究提供了新的实验条件，为获得新发现、新突破提供了机遇。在国际上，依托强磁场条件开展的生命科学相关研究工作非常活跃，世界上五大稳态强磁场实验装置，包括合肥强磁场装置在内，都非常重视生命科学相关研究，特别是核磁共振和磁共振成像技术的发展与应用，从而极大地推动了近年来现代生物医学的研究。磁场生物学主要是研究磁场对生物体的影响。目前关于磁场生物学，国内外相关研究主要集中在磁场安全性、磁场生物学效应机理、磁场在疾病治疗中的潜在应用及磁感应机制研究。在生物核磁共振谱学研究中，在研究与重大疾病相关的重要蛋白的结构解析、动力学分析及其功能，设计和开发小分子及多肽类药物，开展药物筛选、药效及代谢产物分析等方面取得了重要进展。在磁共振生物成像研究领域，高场相位成像、磁共振微成像技术是新兴的热点方向。

ISBN：9787030647009

作者：中国科学院

（本文编辑：王芳）

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