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1、超导材料科学及应用中的基础问题研究课题开题报告项目名称： 超导材料科学及应用中的基础问题研究首席科学家：中国科学院物理研究所依托部门： 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
2、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GinzburgLandau 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
3、核磁成像，超导托卡马克，高能加速器等等。如果没有GinzburgLandau 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，即要解决我国重大战略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
4、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：1. 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。2. 在高温超导机理解决的过程中做出
5、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。3. 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。4. 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。5. 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
6、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（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索；（3（ 有机超导体探索；（4（ 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。
7、I-2：非常规超导机理研究（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； （3（ 高温超导体的临界涨落特性研究；（4（ 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；（2（ Josephson 涡旋动力学以及饼涡旋的相互作用； （3（ 高温超导体不可逆磁场和磁通系统
8、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：努力提高实用超导体的临界电流、磁通钉扎能力和不可逆磁 场；研究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.实用超导材料的基础科学问题 （设二个课题）II-1：新型实用超导材料二硼化镁有关基础科学问题研究（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研究； （2（ MgB2 超导薄膜及厚膜的物理化学气相沉 积（HPCVD）制备技术基础研究；（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（ 实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
9、制备相关电磁物理基础。II2：新型实用超导材料钇钡铜氧涂层导体基础科学问题研究（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、帽子层的选择以及制备技术的制备与表征；（3（ 超导层的制备和微结构研究；（4（ 涂层导体的相关超导电性的研究。科学目标：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、工艺以及应用基础研究（设二个课题）III-1：超导结型器件的物理、工艺及应用研究（1）超导结的物理和工艺研究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
10、工艺开发 ；新的超导结物理和器件；新的超导量子比特的探索；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。（2）超导结器件在电子学方面的应用超导结器件在射电天文、环境监测等领域中高灵敏电磁波检测器等应用：检测器包括非热型宽带超导隧道结(STJ)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 、国防建设中的安全保密等领域将起重要作用的信息技术方面的应用：包括实用超 导量子比特的探索；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
11、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研究（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索，包括亚微米尺度的高温超导本征结，亚微米介观 Nb 结和构成的 SQUID 中的物理性质，尤其是宏观量子现象的研究；具有 1/2 磁通自发 激化的环的物理性质研究；基于新型 MgB2 超导体的 SQUID 器件的研究。（2）开展超导 SQUID 器件在磁成像方面的研究，包括心磁和其它磁成像研究中的关键问题；SQUID 器件在 NMR 和 MRI 中的应用研究。二、预期目标本项目的总体目标是在新型超导材料探索和重大科学问题研究上力争突破，做出重要原始创新性的成果
12、，促 进科学的发展， 为国家争得荣誉；在超导材料科学及应用基础研究的主要方面， 继续保持在世界前列；同时为我国超导高技术产业化解决基础科学问题；培养扎根国内并具有国际水准的优秀学术带头人，培养优秀的研究生、博士生和博士后并充实到超导研究队伍中；促进建立我国基础材料和物理研究，实用超导材料的科学 评估，超 导薄膜和器件工艺研究平台。 总目标包括以下几个方面：1（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，为国家争得荣誉。争取寻找到 15 种新型超导体，并且基于这些新材料，在 结构表征和物理研究方面率先做出有重要影响的工作。在新材料方面以专利的形式保护知识产权。2（在高温超导机理解决
13、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。同 时建立有自己特色的先进的实验手段，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。把这些成果实用到应用课题上，解决实用中的关键技术问题。4（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，提高临界电流和临界磁场，与相关的 863 应用项目配套，促进应用发展。使二硼化 镁超导线材在 20K 下其临界磁场达到 3
14、 T 以上，临界电流密度达到 105A/cm2;钇钡铜氧涂层导体短样临界电流密度达到 2106A/cm2 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。深入研究超导结的工艺和物理，以此为基础开展 SQUID 器件的应用基础研究，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 NMR和 MRI 探测的研究，完成二维成像的原理研究。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地。最后以高水平学术论文扩大影响，以专利形式保护知识产权。争取申请专利 2025 项，发表学术论 文 450 篇以上。三、研究方案本
15、项目包括三个主要研究方向，共七个课题。 这三个方向涵盖了从材料基础到前沿科学，到应用基础问题的研究内容，它 们相互关联和推动。下面分 别叙述每个方向上课题开展的主要技术途径、与国内外同类研究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 动力学问题在此方向上，我们要强调原创性的发现和结果，比如要推 动发现全新型超导体的探索，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
16、进行新超导体的探索。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 费米液体模型来描述。在这个金属相中往往伴随着出人意料的奇异特性，如高温超 导，巨磁 电阻等等。另外，超导完全可能在很多轻元素材料中被发现 。原因是这些轻元素材料，往往德拜温度很高，如果费米面有一定的高电子态密度，就可能出 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，因此有电导出现，在有些情况下会出现超导电性，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，
17、如果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 为止还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索提供了契机。在测量技术上可以利用精密磁测量技术先发现超导体抗磁信号，然后利用电输运测量技术来确认新的超导电性。任何具有新的物理意义或实用价值的超导体的发现都属于重大原创性的工作。在非常规超导机制方面，我们要抓住氧化物高温超导机理研究这个核心，开展工作，然后向具有竞争序的超导体和其他新型配对对称性的超导体方面拓展研究范围。在实验方面，系统地制备高质量的高温超 导体、 钴酸钠超导体和一些密度波超导体样品，供机理研究之用；用比热、 热导 和
18、微波等手段研究的低能电子激发行为；用红外和电子拉曼等光学手段研究电子的动力学性质；用角分辨光电子光谱手段研究准粒子能谱；用 STM 等隧道谱测 量手段得到在不同条件下准粒子态在实空间和能量轴上的分布；利用类似手段研究若干其它非常规超导体的相图和物理性质；对各方面的实验结果进行由点到面的理论分析，揭示竞争序在不同体系超导体中的特征性及异同。紧紧抓住非常规超导体的一个普遍特征竞争序这根主线去研究非常规超导机理是具有创新的想法，因为这样不同系统所表现出来的信息可以融会贯通，相互借鉴。在实用超导体的临界电流和磁通动力学研究方面，要注重通过外界环境以及材料设计调控高温超导材料中磁通物质的宏观量子态，研究
19、其磁通动力学行为，探讨 提高临界电流密度的新途径。基于新型的超导/纳米材料的合成与组装技术及其微结构与性能的表征技术，探讨有限尺寸与超导电性的关系，研究受限体系的磁通动力学问题。化学方法或熔融织构法调控晶界的行为，改善弱连接，提高临界电流密度。研究手段上可以利用电输运，磁弛豫和动力学磁弛豫技术加以研究。另外要借助于新兴的一些微观测量技术，如 Hall 探头阵列技术和精密磁光技术研究磁通动力学问题。除此之外，高精度的 STM 技术可以用来研究介观超导体的磁通态量子化。II：实用超导材料基础科学问题：二硼化镁超导体和钇钡铜氧涂层导体应用中的基础问题研究基于对二硼化镁基本问题研究，技术上以粉末套管（PIT）技术为总体技术框架，开发 以下关键技术并解决相关基础科学问题。开发物理化学气相沉积（HPCVD）方法制 备 MgB2 超导厚膜及薄膜技术；开发 HPCVD 方法生长长线（带）