超導(dǎo)材料科學(xué)及應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究課題開題報告

1、項目名稱：超導(dǎo)材料科學(xué)及應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究首席科學(xué)家：聞海虎 中國科學(xué)院物理研究所起止年限：2006.1至2010.12依托部門：中國科學(xué)院一、研究內(nèi)容從總體上說本項目包括三個相互聯(lián)系、相互推動的方面：（1）超導(dǎo)基礎(chǔ)材料科學(xué)和物理問題研究：包括新型超導(dǎo)材料探索和表征，超導(dǎo)重大科學(xué)前沿問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題研究，如非常規(guī)超導(dǎo)機理，磁通釘扎和磁通動力學(xué)問題；（2）實用超導(dǎo)材料基礎(chǔ)科學(xué)問題：如釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體和二硼化鎂超導(dǎo)體應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究；（3）超導(dǎo)結(jié)型器件的物理、工藝以及在應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究。新超導(dǎo)材料探索是基礎(chǔ)，尋找到任何有重要科學(xué)意義或重要實用價值的新型超導(dǎo)材料都將大大促進超導(dǎo)

2、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為國家爭得榮譽。而超導(dǎo)重大科學(xué)前沿問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題研究是根本。因為超導(dǎo)基礎(chǔ)研究無非有兩個根本的目標(biāo)：要么在基礎(chǔ)科學(xué)方面有重大發(fā)現(xiàn)，促進科學(xué)本身的發(fā)展，要么解決限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題，促進應(yīng)用的發(fā)展。只有根本問題解決了，才能談到很好的應(yīng)用。舉例來說，上個世紀(jì)50年代創(chuàng)立的描述II類超導(dǎo)體的理論，即GinzburgLandau理論（2003年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）很好地描述了II類超導(dǎo)體的電磁場行為，人們根據(jù)這個理論預(yù)言了磁通線，混合態(tài)等重要概念，然后從實驗上驗證了它們的存在。在此基礎(chǔ)上，人們制備出強磁場的超導(dǎo)磁體，進一步發(fā)展出高清晰度的核磁成像，超導(dǎo)托卡馬克，高能加速器

3、等等。如果沒有GinzburgLandau理論從根本上認識到II類超導(dǎo)體的電磁規(guī)律，制備出強磁場超導(dǎo)磁體是不可想象的。因此第一個方向的課題極有可能獲得重大原創(chuàng)性的成果。第一方向課題之間存在非常強的相互關(guān)聯(lián)性。如發(fā)現(xiàn)科學(xué)上具有重要意義的超導(dǎo)體，往往會促進超導(dǎo)機理的認識。反過來，超導(dǎo)機理的新認識會促進尋找新型超導(dǎo)體。比如在競爭序超導(dǎo)體中，當(dāng)競爭序被壓制掉以后，超導(dǎo)溫度會有所提高。人們可以根據(jù)這個特點去尋找新型的超導(dǎo)體。后兩個方向是開展本項目研究的最終目的，即要解決我國重大戰(zhàn)略需求中的一些重要問題。為了解決我國未來能源（液氮溫度儲能，變電和輸電等）和交通中（磁懸浮車）的突出問題，在眾多的超導(dǎo)應(yīng)用材料

4、中，我們選擇兩個對未來應(yīng)用普遍看好的核心材料，即釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體（所謂第二代超導(dǎo)帶材）和二硼化鎂超導(dǎo)體中的關(guān)鍵科學(xué)問題進行研究，促進它們盡早產(chǎn)業(yè)化。另外，為了解決我國在未來先進醫(yī)療技術(shù)（SQUID心磁儀，新型MRI技術(shù)）和國防上（SQUID探潛等）的需求，我們將開展超導(dǎo)結(jié)的材料和物理問題研究，同時為具有前瞻性的應(yīng)用項目做好基礎(chǔ)科學(xué)方面的準(zhǔn)備。要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：1. 努力尋找到科學(xué)上有重要意義和（或）有重要實用價值的超導(dǎo)體。基于這些新材料，在結(jié)構(gòu)表征和物理研究方面率先做出有重要影響的工作。2. 在高溫超導(dǎo)機理解決的過程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正確的模型和物理圖象直至解決高溫

5、超導(dǎo)機理問題；在非常規(guī)競爭序超導(dǎo)體的機理方面有重要進展，并找出規(guī)律，給探索新型超導(dǎo)體提供指導(dǎo)。3. 提高實用超導(dǎo)體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；理解復(fù)雜渦旋系統(tǒng)和尺寸受限超導(dǎo)體的磁通運動和相變規(guī)律。4. 弄清楚實用二硼化鎂超導(dǎo)體和釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體成相和制備方法，提高釘扎和臨界磁場，促進應(yīng)用發(fā)展。5. 制備出亞微米尺寸的高性能超導(dǎo)結(jié)器件；明確超導(dǎo)結(jié)器件電磁和高頻特性以及配對、耦合和噪聲等物理機理；深入理解超導(dǎo)結(jié)器件的消相干機理和高溫超導(dǎo)等離子體振蕩的基本規(guī)律；探索新型超導(dǎo)結(jié)器件及其在各前沿領(lǐng)域中的實用方案。因此本項目以新超導(dǎo)材料探索為基礎(chǔ)，以對超導(dǎo)重大科學(xué)問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵問題的理解為

6、根本，以解決應(yīng)用中關(guān)鍵科學(xué)問題為目的，本著有所為，有所不為的精神，認真選擇課題并精心組織隊伍開展研究。具體每個方向的研究內(nèi)容如下：I.超導(dǎo)基礎(chǔ)材料科學(xué)和物理問題研究 （設(shè)三個課題）I-1：新型超導(dǎo)材料探索與表征（1） 摻雜Mott 絕緣體中的超導(dǎo)電性；（2） 新型含輕元素超導(dǎo)體的探索；（3） 有機超導(dǎo)體探索；（4） 激子超導(dǎo)體的探索。該課題的目標(biāo)或要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是希望通過未來5年的努力，能夠?qū)ふ业娇茖W(xué)上有重要意義和（或）有重要實用價值的超導(dǎo)體。并且基于這些新材料，在結(jié)構(gòu)表征和物理研究方面率先作出有重要影響的工作。I-2：非常規(guī)超導(dǎo)機理研究（1） 高溫超導(dǎo)體電子態(tài)相圖和超導(dǎo)配對對稱性隨摻雜

7、濃度的變化； （2） 贗能隙的本質(zhì)及其與超導(dǎo)的關(guān)系； （3） 高溫超導(dǎo)體的臨界漲落特性研究；（4） 競爭序超導(dǎo)電性研究。 該課題的目標(biāo)或要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是在高溫超導(dǎo)機理解決的過程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正確的模型和物理圖象；在非常規(guī)競爭序超導(dǎo)體的機理方面有重要進展，并盡可能找出規(guī)律，給探索新型超導(dǎo)體提供指導(dǎo)。I-3：實用超導(dǎo)體的臨界電流問題和磁通動力學(xué)研究（1） 物理和化學(xué)方法增強臨界電流密度和磁通釘扎能力；（2） Josephson渦旋動力學(xué)以及餅渦旋的相互作用； （3） 高溫超導(dǎo)體不可逆磁場和磁通系統(tǒng)相變；（4） 受限系統(tǒng)的量子磁通態(tài)。本課題的目標(biāo)及要解決的重大科學(xué)問題是

8、：努力提高實用超導(dǎo)體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；研究復(fù)雜渦旋系統(tǒng)和尺寸受限超導(dǎo)體磁通態(tài)的相變規(guī)律等等。II.實用超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)科學(xué)問題 （設(shè)二個課題）II-1：新型實用超導(dǎo)材料二硼化鎂有關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究（1） 二硼化鎂及其元素摻雜體系成相機理及相關(guān)物理化學(xué)特性研究； （2） MgB2超導(dǎo)薄膜及厚膜的物理化學(xué)氣相沉積（HPCVD）制備技術(shù)基礎(chǔ)研究；（3） 二硼化鎂超導(dǎo)材料臨界磁場和有效提高磁通釘扎手段的物理本質(zhì)； （4） 實用化二硼化鎂超導(dǎo)線帶材成材技術(shù)基礎(chǔ)問題；（5） 二硼化鎂超導(dǎo)線帶材應(yīng)力應(yīng)變特性及磁體制備相關(guān)電磁物理基礎(chǔ)。II2：新型實用超導(dǎo)材料釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體基礎(chǔ)科學(xué)問題研究

9、（1） Ni合金及立方織構(gòu)Ni、Ni基合金基帶的制備與表征；（2） 種子層、隔離層、帽子層的選擇以及制備技術(shù)的制備與表征；（3） 超導(dǎo)層的制備和微結(jié)構(gòu)研究；（4） 涂層導(dǎo)體的相關(guān)超導(dǎo)電性的研究?？茖W(xué)目標(biāo)：解決在柔性金屬基帶上制備高臨界電流密度的釔鋇銅氧帶材的一系列基礎(chǔ)科學(xué)問題III超導(dǎo)結(jié)型器件的物理、工藝以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究（設(shè)二個課題）III-1：超導(dǎo)結(jié)型器件的物理、工藝及應(yīng)用研究（1）超導(dǎo)結(jié)的物理和工藝研究超導(dǎo)結(jié)的結(jié)構(gòu)和量子噪聲物理；超導(dǎo)結(jié)的電磁輸運和高頻性質(zhì)；超導(dǎo)結(jié)陣中的等離子體振蕩及其應(yīng)用；超導(dǎo)結(jié)器件的制備工藝開發(fā)；新的超導(dǎo)結(jié)物理和器件；新的超導(dǎo)量子比特的探索；超導(dǎo)結(jié)的性能和消相干的關(guān)系；

10、超導(dǎo)量子比特與測量系統(tǒng)的可控耦合方式。（2）超導(dǎo)結(jié)器件在電子學(xué)方面的應(yīng)用超導(dǎo)結(jié)器件在射電天文、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中高靈敏電磁波檢測器等應(yīng)用：檢測器包括非熱型寬帶超導(dǎo)隧道結(jié)(STJ)檢測器；寬帶熱電子測熱輻射計(HEB)；量子極限靈敏度外差式混頻接收器等。超導(dǎo)結(jié)器件在經(jīng)濟、國防建設(shè)中的安全保密等領(lǐng)域?qū)⑵鹬匾饔玫男畔⒓夹g(shù)方面的應(yīng)用：包括實用超導(dǎo)量子比特的探索；超導(dǎo)結(jié)的性能和消相干的關(guān)系等。超導(dǎo)結(jié)器件在生命科學(xué)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域中太赫茲成像的應(yīng)用：主要是利用超導(dǎo)器件中的高速磁通流，等離子體振蕩和約瑟夫遜效應(yīng)等產(chǎn)生和接收太赫茲信號等。III-2：超導(dǎo)介觀系統(tǒng)量子現(xiàn)象及應(yīng)用基礎(chǔ)研究（1）介觀超導(dǎo)體中的超導(dǎo)量

11、子現(xiàn)象的基本問題，器件物理和新的應(yīng)用探索，包括亞微米尺度的高溫超導(dǎo)本征結(jié)，亞微米介觀Nb結(jié)和構(gòu)成的SQUID中的物理性質(zhì)，尤其是宏觀量子現(xiàn)象的研究；具有1/2磁通自發(fā)激化的p環(huán)的物理性質(zhì)研究；基于新型MgB2超導(dǎo)體的SQUID器件的研究。（2）開展超導(dǎo)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關(guān)鍵問題；SQUID器件在NMR和MRI中的應(yīng)用研究。二、預(yù)期目標(biāo)本項目的總體目標(biāo)是在新型超導(dǎo)材料探索和重大科學(xué)問題研究上力爭突破，做出重要原始創(chuàng)新性的成果，促進科學(xué)的發(fā)展，為國家爭得榮譽；在超導(dǎo)材料科學(xué)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究的主要方面，繼續(xù)保持在世界前列；同時為我國超導(dǎo)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化解決基礎(chǔ)科

12、學(xué)問題；培養(yǎng)扎根國內(nèi)并具有國際水準(zhǔn)的優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)優(yōu)秀的研究生、博士生和博士后并充實到超導(dǎo)研究隊伍中；促進建立我國基礎(chǔ)材料和物理研究，實用超導(dǎo)材料的科學(xué)評估，超導(dǎo)薄膜和器件工藝研究平臺?？偰繕?biāo)包括以下幾個方面：1 努力尋找到科學(xué)上有重要意義和（或）有重要實用價值的超導(dǎo)體，為國家爭得榮譽。爭取尋找到15種新型超導(dǎo)體，并且基于這些新材料，在結(jié)構(gòu)表征和物理研究方面率先做出有重要影響的工作。在新材料方面以專利的形式保護知識產(chǎn)權(quán)。2 在高溫超導(dǎo)機理解決的過程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正確的模型和物理圖象，直至解決高溫超導(dǎo)機理問題；在非常規(guī)競爭序超導(dǎo)體的機理方面有重要進展，并找出規(guī)律，給

13、探索新型超導(dǎo)體提供指導(dǎo)。同時建立有自己特色的先進的實驗手段，能夠從微觀和電子態(tài)能譜上面直接獲得信息。3 提高實用超導(dǎo)體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；理解復(fù)雜渦旋系統(tǒng)和尺寸受限超導(dǎo)體的磁通運動和相變規(guī)律。把這些成果實用到應(yīng)用課題上，解決實用中的關(guān)鍵技術(shù)問題。4 弄清楚實用二硼化鎂超導(dǎo)體和釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體成相和制備方法，提高臨界電流和臨界磁場，與相關(guān)的863應(yīng)用項目配套，促進應(yīng)用發(fā)展。使二硼化鎂超導(dǎo)線材在20K下其臨界磁場達到3 T以上，臨界電流密度達到105A/cm2;釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體短樣臨界電流密度達到2106A/cm2以上。5 以超導(dǎo)本征結(jié)和超導(dǎo)介觀體系宏觀量子現(xiàn)象為基礎(chǔ)，開展超導(dǎo)電

14、子學(xué)的研究。深入研究超導(dǎo)結(jié)的工藝和物理，以此為基礎(chǔ)開展SQUID器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，使得器件應(yīng)用的水平有所提高，實現(xiàn)利用SQUID器件進行超低場NMR和MRI探測的研究，完成二維成像的原理研究。使我國在超導(dǎo)電子技術(shù)、電磁波檢測技術(shù)、太赫茲成像技術(shù)、信息技術(shù)等國際前沿領(lǐng)域占有一席之地。最后以高水平學(xué)術(shù)論文擴大影響，以專利形式保護知識產(chǎn)權(quán)。爭取申請專利2025項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文450篇以上。三、研究方案本項目包括三個主要研究方向，共七個課題。這三個方向涵蓋了從材料基礎(chǔ)到前沿科學(xué)，到應(yīng)用基礎(chǔ)問題的研究內(nèi)容，它們相互關(guān)聯(lián)和推動。下面分別敘述每個方向上課題開展的主要技術(shù)途徑、與國內(nèi)外同類研究相比的創(chuàng)新點與

15、特色、取得重大突破的可行性分析。I：基礎(chǔ)超導(dǎo)材料和物理問題研究包括新型超導(dǎo)材料探索和表征，超導(dǎo)重大科學(xué)前沿問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題研究，如非常規(guī)超導(dǎo)機理，磁通釘扎和磁通動力學(xué)問題在此方向上，我們要強調(diào)原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和結(jié)果，比如要推動發(fā)現(xiàn)全新型超導(dǎo)體的探索，或解決重大科學(xué)前沿問題。這本身就具有很大的創(chuàng)新性。我們要在摻雜Mott 絕緣體、新型輕元素體系、有機高分子材料以及一些激子系統(tǒng)中進行新超導(dǎo)體的探索。摻雜莫特絕緣體中由于電子之間的相互作用很強，電子的巡游性較差，能帶寬度與關(guān)聯(lián)能可比擬，摻雜后所形成的金屬相也不能用描述通常金屬的費米液體模型來描述。在這個金屬相中往往伴隨著出人意料的奇異特性，如

16、高溫超導(dǎo)，巨磁電阻等等。另外，超導(dǎo)完全可能在很多輕元素材料中被發(fā)現(xiàn)。原因是這些輕元素材料，往往德拜溫度很高，如果費米面有一定的高電子態(tài)密度，就可能出現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。二硼化鎂就是這方面一個典型的例子。在很多有機材料中，電子具有巡游特性，因此有電導(dǎo)出現(xiàn)，在有些情況下會出現(xiàn)超導(dǎo)電性，而且其超導(dǎo)未必是通過聲子媒介起作用的。目前有機超導(dǎo)體的溫度已達10 K以上。很多學(xué)者認為，如果實現(xiàn)激子機制超導(dǎo)電性，那么超導(dǎo)臨界溫度Tc將會大幅度提高。但是到目前為止還沒有一個激子型超導(dǎo)體問世。現(xiàn)代的微加工技術(shù)和薄膜制備技術(shù)為進行激子超導(dǎo)體探索提供了契機。在測量技術(shù)上可以利用精密磁測量技術(shù)先發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體抗磁信號，然后利用電

17、輸運測量技術(shù)來確認新的超導(dǎo)電性。任何具有新的物理意義或?qū)嵱脙r值的超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)都屬于重大原創(chuàng)性的工作。在非常規(guī)超導(dǎo)機制方面，我們要抓住氧化物高溫超導(dǎo)機理研究這個核心，開展工作，然后向具有競爭序的超導(dǎo)體和其他新型配對對稱性的超導(dǎo)體方面拓展研究范圍。在實驗方面，系統(tǒng)地制備高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)體、鈷酸鈉超導(dǎo)體和一些密度波超導(dǎo)體樣品，供機理研究之用；用比熱、熱導(dǎo)和微波等手段研究的低能電子激發(fā)行為；用紅外和電子拉曼等光學(xué)手段研究電子的動力學(xué)性質(zhì)；用角分辨光電子光譜手段研究準(zhǔn)粒子能譜；用STM等隧道譜測量手段得到在不同條件下準(zhǔn)粒子態(tài)在實空間和能量軸上的分布；利用類似手段研究若干其它非常規(guī)超導(dǎo)體的相圖和物理性質(zhì)；

18、對各方面的實驗結(jié)果進行由點到面的理論分析，揭示競爭序在不同體系超導(dǎo)體中的特征性及異同。緊緊抓住非常規(guī)超導(dǎo)體的一個普遍特征競爭序這根主線去研究非常規(guī)超導(dǎo)機理是具有創(chuàng)新的想法，因為這樣不同系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的信息可以融會貫通，相互借鑒。在實用超導(dǎo)體的臨界電流和磁通動力學(xué)研究方面，要注重通過外界環(huán)境以及材料設(shè)計調(diào)控高溫超導(dǎo)材料中磁通物質(zhì)的宏觀量子態(tài)，研究其磁通動力學(xué)行為，探討提高臨界電流密度的新途徑?；谛滦偷某瑢?dǎo)/納米材料的合成與組裝技術(shù)及其微結(jié)構(gòu)與性能的表征技術(shù)，探討有限尺寸與超導(dǎo)電性的關(guān)系，研究受限體系的磁通動力學(xué)問題?；瘜W(xué)方法或熔融織構(gòu)法調(diào)控晶界的行為，改善弱連接，提高臨界電流密度。研究手段上可

19、以利用電輸運，磁弛豫和動力學(xué)磁弛豫技術(shù)加以研究。另外要借助于新興的一些微觀測量技術(shù)，如Hall探頭陣列技術(shù)和精密磁光技術(shù)研究磁通動力學(xué)問題。除此之外，高精度的STM技術(shù)可以用來研究介觀超導(dǎo)體的磁通態(tài)量子化。II：實用超導(dǎo)材料基礎(chǔ)科學(xué)問題：二硼化鎂超導(dǎo)體和釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究基于對二硼化鎂基本問題研究，技術(shù)上以粉末套管（PIT）技術(shù)為總體技術(shù)框架，開發(fā)以下關(guān)鍵技術(shù)并解決相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題。開發(fā)物理化學(xué)氣相沉積（HPCVD）方法制備MgB2超導(dǎo)厚膜及薄膜技術(shù)；開發(fā)HPCVD方法生長長線（帶）的技術(shù)；HPCVD和激光沉積方法生長高度織構(gòu)、有較完善超導(dǎo)性能的MgB2薄膜；制備MgB2薄膜

20、的微橋結(jié)和其它類型的超導(dǎo)結(jié)，發(fā)展相應(yīng)的MgB2超導(dǎo)結(jié)的物理模型。最后在磁體技術(shù)基礎(chǔ)方面，注意應(yīng)力應(yīng)變特性和磁體穩(wěn)定性及相關(guān)電磁特性。在MgB2磁體的設(shè)計和制造方面，目前國際上有關(guān)磁體制備基礎(chǔ)的結(jié)果幾乎沒有報道，相關(guān)磁體制備工作主要目的還是為了判斷二硼化鎂磁體制備的可行性，而磁體制備基礎(chǔ)工作是非常關(guān)鍵的，所以我們擬開展包括應(yīng)力應(yīng)變、線帶材的熱磁穩(wěn)定性、超導(dǎo)接頭的制備及性能等研究工作，獲得磁體制備的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。本項研究當(dāng)中，利用復(fù)合鐵銅管作為包套材料，是一個創(chuàng)新，一方面可以減少包套材料對超導(dǎo)電性的破壞，另外，可以降低包套材料的磁性，以此會對將來的磁體制作帶來方便。在釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體方面開展（1）

21、Ni合金及立方織構(gòu)Ni、Ni基合金基帶的研究。（2）種子層、阻擋層、帽子層的選擇以及制備技術(shù)的研究。采用磁控濺射、蒸發(fā)、激光沉積、化學(xué)方法以及IBAD多種手段制備中間層。研究薄膜的外延生長機理，尋找高速低成本制備高質(zhì)量中間層的手段。（3）超導(dǎo)層的制備技術(shù)研究。超導(dǎo)層的研究主要采用三種方法：蒸發(fā)、激光和化學(xué)方法。（4）涂層導(dǎo)體的相關(guān)超導(dǎo)電性的研究。對涂層導(dǎo)體的磁通釘扎、交流損耗等各種超導(dǎo)電性能指標(biāo)進行測試分析，了解各種微結(jié)構(gòu)因素對涂層導(dǎo)體性能的影響。在制備過程中添加化學(xué)夾雜，提高釘扎中心的密度，并進一步提高臨界電流密度。III：超導(dǎo)結(jié)型器件的物理、工藝以及應(yīng)用基礎(chǔ)問題研究超導(dǎo)結(jié)器件的物理和制備工

22、藝方面，通過觀察和分析器件的溫度特性，高頻響應(yīng)特性，量子振蕩和噪聲特性等，從理論和實驗角度，研究超導(dǎo)材料和器件的配對、耦合和噪聲等物性，探索超導(dǎo)結(jié)器件在前沿領(lǐng)域中的應(yīng)用。具體方案如下：(1)超導(dǎo)結(jié)特性和結(jié)物理的研究在已有的超低溫、超高頻等極限測試環(huán)境中，利用長期積累的低溫和超低噪聲測試的經(jīng)驗，包括超導(dǎo)量子干涉器件和低溫低噪聲放大器以及無源電容電感共振回路等低噪聲測試手段，測量超導(dǎo)結(jié)器件的直流及交流電流電壓特性以及溫度變化規(guī)律，與尺寸有關(guān)的電磁特性和噪聲特性等。在已有的等離子體振蕩理論研究基礎(chǔ)上，采用實驗和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，深入研究高性能的高溫超導(dǎo)結(jié)陣中等離子體振蕩頻率與隧道結(jié)數(shù)目、耦合強度

23、等定量關(guān)系，確立等離子體振蕩的變化規(guī)律；利用已有的從微波到遠紅外波段的各種信號源和微波技術(shù)、準(zhǔn)光技術(shù)等，在建立結(jié)陣作為電磁波振蕩源與外電路的耦合方式的基礎(chǔ)上，研究電磁波在結(jié)陣中的傳播和等離子體振蕩與外加電磁輻照的相互作用等。通過測量結(jié)陣在外加直流磁場中的行為，包括磁通流臺階、正常態(tài)電阻和等離子體振蕩頻率等參數(shù)的磁場依從性，結(jié)合數(shù)值理論分析方法，研究高溫超導(dǎo)體內(nèi)非線性動力學(xué)和磁通動力學(xué)性質(zhì)等基礎(chǔ)理論問題。(2)制備工藝的基礎(chǔ)研究在理論計算、模型設(shè)計的前提下以及自行開發(fā)的低能離子刻蝕法和雙面制備法等創(chuàng)新工藝的基礎(chǔ)上，利用已有的脈沖激光、濺射、蒸發(fā)等成熟的成膜方法和光刻、電子束曝光刻蝕、（聚焦）離子

24、束刻蝕等微加工手段，通過原位刻蝕和實時檢測等有效的方法，制備高質(zhì)量的薄膜材料以及微米和亞微米級的超導(dǎo)結(jié)器件，特別是高性能的單個結(jié)和大量性能一致的結(jié)所構(gòu)成的均勻結(jié)陣。細致研究由于制備技術(shù)的不精確所造成的結(jié)和結(jié)陣特性的不均勻性以及制備工藝各個環(huán)節(jié)（設(shè)計、薄膜生長、圖形成型、電極成型）的各種重要參數(shù)對結(jié)器件性能的影響，通過理論與實驗兩方面的評估，尋找最佳的制備工藝，提高結(jié)器件性能的一致性、重復(fù)性，有效地提高結(jié)器件的成品率。(3)新型超導(dǎo)結(jié)器件和應(yīng)用的探索在已有的超導(dǎo)薄膜外延生長及微加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過研究原位氧化或等離子處理對超導(dǎo)薄膜界面的影響等，進一步理解和掌握超導(dǎo)薄膜與氧化物勢壘層、絕緣層之間

25、的外延異質(zhì)生長工藝和摻雜效應(yīng)，設(shè)計和制備新的薄膜型超導(dǎo)結(jié)器件。利用超導(dǎo)器件的宏觀量子效應(yīng)和強的非線性隧道效應(yīng)以及高效率、低損耗、高靈敏度等特點，在深入研究其高頻和噪聲特性的基礎(chǔ)上，探索超導(dǎo)結(jié)器件在射電天文、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中高靈敏檢測器的應(yīng)用，經(jīng)濟、國防建設(shè)中的安全保密等領(lǐng)域?qū)⑵鹬匾饔玫牧孔颖忍胤矫娴膽?yīng)用，生命科學(xué)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域中太赫茲成像的應(yīng)用以及電流、電壓等計量標(biāo)準(zhǔn)方面的應(yīng)用等。超導(dǎo)介觀系統(tǒng)量子現(xiàn)象及應(yīng)用基礎(chǔ)問題的主要研究方案是：以超導(dǎo)量子器件即SQUID器件作為研究對象。既有高溫超導(dǎo)體和近年來發(fā)現(xiàn)的MgB2超導(dǎo)體的SQUID器件，也包含低溫全Nb結(jié)器件。低溫超導(dǎo)全Nb微米及亞微米約瑟夫

26、森結(jié)和SQUID系統(tǒng)對于研究介觀體系的宏觀量子現(xiàn)象和物理特征更為適宜。而且從應(yīng)用研究看，隨作制冷技術(shù)和微加工技術(shù)的提高，低溫器件的使用和制備都更加方便，性能穩(wěn)定的全Nb器件在許多靈敏的應(yīng)用（如心磁研究中）優(yōu)越性更大。采用性能穩(wěn)定的全鈮隧道結(jié)作為研究對象。運用原位濺射、光刻和電子束暴光相結(jié)合的方法制備結(jié)和器件。在較寬的溫區(qū)研究結(jié)和器件的物理性質(zhì)，包括經(jīng)典和量子的特征。注重理論分析和實驗測量相結(jié)合。在測量中采用電流、磁通偏置、微波以及屏蔽等手段。重點要在新的物理現(xiàn)象(例如量子退相干和量子相變等)和新的可能應(yīng)用（微米和亞微米結(jié)SQUID器件）方面開展研究。此外對在高溫超導(dǎo)機理研究方面有重要價值的本征

27、結(jié)制備方面，將在Bi2Sr2CaCu2O8+等單晶上制備得到所需的亞微米尺寸的高度可控的柱狀結(jié)構(gòu)（即亞微米本征約瑟夫森結(jié)）。在獲得理想的樣品的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析各種尺寸的樣品的I-V以及dI/dV曲線，研究熱效應(yīng)的影響，獲得系統(tǒng)的真正單電子隧道譜。對于MgB2薄膜SQUID器件，研究其Josephson效應(yīng)，發(fā)展相應(yīng)的MgB2超導(dǎo)結(jié)的物理模型和制備方法。研制MgB2的SQUID器件，并開展其實用可能性的探索，特別是可在液氦以上溫度工作的MgB2 SQUID器件。在提高心磁等磁成像應(yīng)用器件性能方面的具體技術(shù)路線包括：穩(wěn)定性好，靈敏度高的全Nb結(jié)SQUID器件和特殊用途的器件；發(fā)展新型SQUID梯度

28、計和抗干擾技術(shù)；發(fā)展適用的信號處理方法。在傳統(tǒng)的NMR中，信號與核磁化強度和核磁矩的進動頻率成正比，而這兩個量均正比于磁場。所以傳統(tǒng)的NMR或MRI中需要采用強磁場。但是，低場下的NMR一直吸引著科學(xué)家們的關(guān)注，因為不少情況下，低場得到的信息很難在強場下得到。隨作磁場的降低，磁共振的頻率降低，因而常規(guī)的探測線圈靈敏度大大降低。一個有效地克服這一難題的途徑就是采用超導(dǎo)SQUID器件作為探測元件，可以對從兆赫茲直到直流的磁信號進行測量，可在mT甚至mT磁場下獲得NMR信號，同時也不需要具有極高均勻性的強磁場，使得成本降低。在具體的實施中，首先采用高溫超導(dǎo)SQUID器件進行實驗，在典型樣品中獲得NM

29、R信號，研究環(huán)境電磁噪聲和待測樣品引入的噪聲對信號的影響。進行編碼方式研究，研究二維成像。在基礎(chǔ)上探索利用低溫器件提高信噪比等。四、年度計劃年度研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年確定新型超導(dǎo)材料探索的范圍，并準(zhǔn)備好前期條件，開始探索。制備出更多系列的高質(zhì)量高溫超導(dǎo)單晶和競爭序超導(dǎo)單晶，開展電子態(tài)相圖和低能激發(fā)的研究。著手發(fā)展先進的實驗手段，如建立微波諧振，角分辨光電子譜設(shè)備，Hall探頭陣列實驗手段。完善熱測量和電子拉曼譜測量條件。對實用超導(dǎo)材料進行化學(xué)摻雜及中子輻照實驗，進行提高臨界電流的嘗試。對二硼化鎂超導(dǎo)材料的成相規(guī)律進行探索，獲得相圖并指導(dǎo)下一步材料制備。對釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體的各種方法進行分析、篩選

30、并努力切實可行的制備方法。同時進行金屬基帶的織構(gòu)性研究。完善制備至亞微米尺寸的各種高性能超導(dǎo)結(jié)和電路工藝。細致研究由于制備技術(shù)的不精確所造成的結(jié)器件特性的不均勻性以及制備工藝各個環(huán)節(jié)對結(jié)器件性能的影響，有效地提高結(jié)器件的成品率和各類應(yīng)用要求的適應(yīng)性；建立完善低溫、低噪聲和高頻測試系統(tǒng)。1. 確定一些重點研究體系，了解成相規(guī)律，制定研究探索方案。根據(jù)各種材料的特點建立相應(yīng)的實驗設(shè)備。2. 制備出更多系列的高質(zhì)量高溫超導(dǎo)單晶體。建立和完善必要的研究手段。3. 建立MgB2及其元素摻雜體系成相的物理化學(xué)過程模型，揭示其元素摻雜體系中依次出現(xiàn)各種亞穩(wěn)相的相變機制等。完成用HPCVD生長厚膜制備MgB2

31、超導(dǎo)長線（帶）的方案和相應(yīng)的物理論證。4. 了解金屬基帶立方織構(gòu)的形成機理和影響因素。了解影響種子層取向生長的參數(shù)，并分析原因，提出解決措施。弄清控制化學(xué)溶液法制備的氧化物隔離層的關(guān)鍵因素，給出合理解釋。5. 成熟并完善已有的亞微米本征約瑟夫森結(jié)的制備工藝。制備高質(zhì)量超導(dǎo)MgB2薄膜。得到介觀SQUID中的分離能級計算結(jié)果。得到SQUID心磁測量信號去噪聲處理方法。本年度發(fā)表學(xué)術(shù)論文60篇以上，影響因子3以上的論文15篇以上,申報專利3項以上。第二年開始嘗試燒結(jié)制備新型超導(dǎo)材料，并伴隨新材料的出現(xiàn)進行表征。進一步制備出更多系列的高質(zhì)量高溫超導(dǎo)單晶和競爭序超導(dǎo)單晶。完善微波諧振，角分辨光電子譜設(shè)

32、備和 Hall 探頭陣列實驗手段。利用多種手段，開展贗能隙區(qū)域的輸運以及低能激發(fā)的研究，并努力構(gòu)造圖象。綜合各種手段，對實用超導(dǎo)材料進行提高臨界電流的嘗試。開展介觀尺度超導(dǎo)體的量子行為的研究，以及Josephson渦旋的動力學(xué)研究。建立MgB2及其元素摻雜體系的成分-溫度-壓力實驗相圖，建立了階段性亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變理論，揭示其元素摻雜體系中依次出現(xiàn)各種亞穩(wěn)相的相變機制。研究摻雜提高臨界電流和臨界磁場的規(guī)律。在相圖的指導(dǎo)下進行粉末套管法和厚膜生長方法的探索。對釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體的金屬基帶進行細致研究和工藝探索，同時開展阻擋層和釔鋇銅氧薄膜的制備。利用低溫、低噪聲和高頻測試系統(tǒng)對超導(dǎo)結(jié)器件進行系統(tǒng)的電磁特

33、性和噪聲特性的測量，深入研究相關(guān)參數(shù)的溫度、磁場、頻率和尺寸等變化規(guī)律，對器件的電磁和噪聲機理有較明確的認識。1. 制備出更多系列的高質(zhì)量高溫超導(dǎo)單晶和競爭序超導(dǎo)單晶。2. 爭取獲得滿足需要的高度取向的織構(gòu)基帶材。3. 制備亞微米尺寸的高性能超導(dǎo)結(jié)。建立太赫茲波準(zhǔn)光耦合系統(tǒng)。4. 提出MgB2多芯線帶材電塑性加工變形機制和物理原理。制備出18-50芯MgB2線帶材，超導(dǎo)芯絲直徑達到50-70m,工程臨界電流密度達到6104A/cm2(25K,1T)。確定HPCVD生長元素摻雜MgB2超導(dǎo)膜過程中，摻雜元素類型和影響超導(dǎo)電性的規(guī)律。5. 提高金屬基帶立方織構(gòu)度，平面內(nèi)j掃描半高寬達到8-10。通

34、過研究基底對種子層的影響，摸索獲得穩(wěn)定織構(gòu)種子層的生長工藝。初步掌握在金屬基底上生長YBCO涂層導(dǎo)體的技術(shù)。6. 制備出性能良好的MgB2薄膜，摸索出MgB2薄膜中結(jié)的制備方法。新的SQUID或梯度計器件。初步完成SQUID進行NMR測量的裝置。本年度發(fā)表學(xué)術(shù)論文80篇，影響因子3以上的論文20篇以上,申報專利5項以上。第三年進一步尋找新型超導(dǎo)材料。如果順利地找到了新型材料，我們可以率先開展很多物性研究。進行超導(dǎo)單晶質(zhì)量的優(yōu)化，獲得多系列不同摻雜的高溫超導(dǎo)單晶。開展贗能隙區(qū)域的掃描隧道譜實驗，力圖探明贗能隙與局域電子態(tài)密度的關(guān)系。研究超導(dǎo)壓制后量子基態(tài)相變的規(guī)律，力求辯明在欠摻雜區(qū)是金屬基態(tài)還

35、是絕緣基態(tài)。對競爭序與超導(dǎo)的關(guān)系有深入的理解。利用微觀手段（STM和微小Hall probe技術(shù)）來研究磁通動力學(xué)和單根渦旋芯的物理。從微觀的角度對幾種實用超導(dǎo)材料的磁通釘扎問題進行研究。制備出介觀尺度二硼化鎂薄膜，并研究其量子行為。制備出高臨界電流，基本滿足應(yīng)用需求的二硼化鎂線帶材。開始著手實用型二硼化鎂超導(dǎo)磁體的設(shè)計。在高質(zhì)量的金屬基帶上面開展阻擋層和釔鋇銅氧薄膜的制備。結(jié)合微結(jié)構(gòu)分析，研究釔鋇銅氧涂層薄膜的磁通釘扎和臨界電流問題，并反饋指導(dǎo)制備工藝。并開展弱電應(yīng)用的前期研究。對Josephson渦旋的動力學(xué)和相圖有初步了解。利用已有的從微波到遠紅外波段的各種信號源和微波技術(shù)、準(zhǔn)光技術(shù)等，

36、對結(jié)器件的微波和太赫茲波響應(yīng)特性進行測量，研究電磁波在結(jié)陣中的傳播和等離子體振蕩與外加電磁輻照的相互作用，獲得結(jié)器件在電磁波下行為的清晰圖像。1. 制備一批高質(zhì)量的新型超導(dǎo)體單晶，對超導(dǎo)相的本征物理性質(zhì)深入分析。2. 獲得多系列不同摻雜的高溫超導(dǎo)單晶。3. 確定最有效提高MgB2磁通釘扎特性的摻雜和替代元素類型及最佳配比。建立MgB2超導(dǎo)體的磁通釘扎機制定量數(shù)學(xué)物理模型，提出元素摻雜替代、納米粒子摻雜和微結(jié)構(gòu)改善MgB2超導(dǎo)體磁通釘扎的物理模型。建立MgB2超導(dǎo)結(jié)的物理模型，了解MgB2 SQUID的特征性能。制備出二硼化鎂超導(dǎo)結(jié)。4. 了解熱蝕溝的存在對隔離層和超導(dǎo)層晶粒取向的影響程度。 2

37、使阻擋層生長技術(shù)適合產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，j掃描半高寬小于8。YBCO涂層導(dǎo)體短樣臨界電流密度達到1105A/cm2(77K,0T)以上。5. 實現(xiàn)利用SQUID器件進行超低場NMR信號測量。本年度發(fā)表學(xué)術(shù)論文80篇，影響因子3以上的論文20篇以上,申報專利5項以上。第四年對新發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料進行深入研究，并擴大探索范圍，努力尋找到更多的新型超導(dǎo)材料。對高溫氧化物超導(dǎo)體和其他非常規(guī)超導(dǎo)材料從多角度進行研究，爭取獲得有關(guān)機理方面的重要實驗結(jié)果。實驗和理論結(jié)合，努力構(gòu)建高溫超導(dǎo)圖象。開展贗能隙區(qū)域的深入物理研究，力圖探明贗能隙與超導(dǎo)的關(guān)系。研究超導(dǎo)壓制后的基態(tài)行為。對競爭序與超導(dǎo)的關(guān)系有深入的理解。利用微觀手段（STM和微小Hall probe技術(shù)）來研究磁通動力學(xué)和單根渦旋芯的物理。從微觀的角度對幾種實用超導(dǎo)材料的磁通釘扎問題進行研究。制備出高質(zhì)量二硼化鎂薄膜并開展器件研究和制備。在獲得高臨界電流密度的基礎(chǔ)上，利用二硼化鎂線帶材制備磁體，并對磁體的性能進行標(biāo)定。對釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體的性質(zhì)進行深入研究，進一步生長出長帶樣品。在技術(shù)上實現(xiàn)亞微米尺度本征結(jié)和全Nb結(jié)SQUID的制備，并能夠穩(wěn)定工藝。在此基礎(chǔ)上開展介觀超導(dǎo)體和器件中的物理性質(zhì)，尤其是宏觀量子現(xiàn)象的研究，爭取在超導(dǎo)量子技術(shù)上有所突破。制備出