中国学科发展战略·强磁场下的基础科学问题

　　在传统科学日臻完善的今天，继续利用常规实验条件取得新的突破越来越困难，而极端实验条件为发现新现象、揭示新规律、多学科的交叉研究提供了更多的机遇。强磁场是一种重要的极端实验条件。物质处在其中，其结构及转变过程都可能发生变化，这为物理学、化学、材料科学和生物学等学科的研究提供了新的途径，开辟了新的空间。

　　首先，强磁场对发现新现象和认识新现象具有重要作用。强磁场可以非常有效地诱导原子核外电子自旋、轨道有序，并改变电子能态和原子、分子间的相互作用，使之出现全新的物质状态，呈现多种多样的新的物理学、化学现象和效应。例如，科学家在强磁场条件下发现了量子霍尔效应和分数量子霍尔效应[这两种新现象的发现者分别获得 1985年和 1998年的诺贝尔物理学奖。] 。强磁场还可以抑制一些因素，凸显另外一些效应，从而使原来复杂甚至混乱的过程变得较为简单，易于直接了解其物理学实质。其次，强磁场在探索和制备新材料方面可以发挥不可替代的作用。材料是现代物质文明的基础，它支撑着其他新技术的发展，已成为经济发展的重要支柱之一。新材料的研制往往依赖于极端技术条件，如强磁场、极低温、极高温、超高压、超高真空等，其中强磁场技术在新材料研制中的重要作用正在显现。再次，强磁场在开发新器件和催化新技术方面也有重要应用。强磁场霍尔效应和磁光效应是研究多层或低维半导体材料中电学输运性质的强大工具，通过它，可以更好地得到半导体内载流子的信息，并在此基础上开发出新型半导体器件和功能元件。最后，强磁场还可以催化出新的重大应用技术，如在强磁场作用下的电磁冶金技术、化学反应合成及脑功能成像技术等。因此，强磁场在国际上被称为“ 21世纪的科学、工程和技术”，强磁场作用下的物理学、化学、生物学、材料科学、磁共振技术等研究也已经成为新的学科方向。

　　依托强磁场条件开展的科学研究工作非常活跃。自1913年以来，与强磁场相关的成果共获得诺贝尔奖19项，其中近20年有8项。研究工作涉及物理学、化学、材料科学、地球科学、生命科学与医学等众多学科。以美国国家强磁场实验室（National High Magnetic Field Laboratory）为例，其在2012～2014年共发表论文1358篇，其中综合类66篇、物理学537篇、化学251篇、生命科学与医学233篇、工程技术（含材料科学、地球科学等）271篇。这些论文中，发表在《科学》（Science）、《自然》（Nature）及其子刊、《物理评论快报》（Physical Review Letters,PRL）、《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）等 区的论文有308篇（其中Nature，Science发表论文13篇）。特别是高温超导、量子材料、半导体和有机固体等领域在强磁场条件下的研究中频频有重要发现。

　　过去由于没有完善的强磁场条件，我国科学家在研究上失去了很多机遇，一些原创性想法不是被搁置就是到国外与别人合作。为了给国内基础研究提供强磁场这一重要支撑条件，也为了提升我国前沿基础学科的自主创新能力，国家发改委于 2007年批准立项“强磁场实验装置”这一“十一五”国家重大科技基础设施建设项目，其中稳态强磁场实验装置由中国科学院合肥物质科学研究院承建，中国科学技术大学共建；脉冲强磁场实验装置由华中科技大学承建。 2017年项目全部完成并通过国家验收，其中稳态强磁场实验装置创造了国际公认的三项世界纪录，脉冲强磁场实验装置被评为国际先进水平。围绕磁体装置还建立了一系列具有国际水平的、有特色的、有自主知识产权的科学测试设备。因此，我国已具备了开展在强磁场条件下的物理学、材料科学、化学、生命科学等学科的新技术、新方法研究的条件和能力。为了充分发挥我国强磁场实验装置的作用，更好地凝练国内学者在强磁场条件下的科学研究方向和领域，让国内外学者在我国的强磁场实验装置上开展国际领先水平的研究，并进一步发展强磁场技术及其应用以建立国际领先水平的装置，受中国科学院技术科学部委托，我们承担了“强磁场下的基础科学问题”学科发展战略研究咨询课题。项目开展期间，我们邀请了国内相关单位的 60多位专家、学者就强磁场下的基础科学问题的国内外研究现状、国际前沿动态、学科优先发展方向、学科新生长点等进行了深入研讨，经过两年多的工作，在大家的共同努力下，最终形成了本书的内容。

　　由于能力和时间所限，书中难免存在不足之处，欢迎广大读者提出批评和建议。

　　沈保根 张裕恒

　　2019年4月30日

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