中国学科发展战略·强磁场下的基础科学问题

　　第一章 磁 学

　　第一节　前　　言

　　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，发现了很多具有深远影响的重大研究成果。在迄今的 209位诺贝尔物理学奖获得者中，有 32位获奖者的获奖工作是与磁学现象的研究有关的。对物质磁性的深刻认识，不仅为基础科学的发展提供了源源不断的创新原动力，而且所发现的各种磁性功能材料与器件极大地促进了国民经济与社会发展。

　　人类对物质磁性的认识源远流长。早在公元前 4世纪，人类就发现了天然的磁石。 20世纪早期，硅钢、坡莫合金等软磁材料的迅速发展加快了工业化进程。自 1931年起，人们就开始研制和使用磁性材料。随着不断发展，到目前已经形成了广泛应用的磁记录、磁存储等材料，极大地促进了信息存储、处理技术和大数据技术的发展。 20世纪 50年代，磁性氧化物（铁氧体）为无线电、雷达等工业的发展提供了必需的磁性材料，给电子技术带来了翻天覆地的变革。20世纪 60年代以来，稀土—3d过渡族磁性合金材料，如稀土永磁（ SmCo，NdFeB）、巨磁致伸缩材料、巨磁热效应材料、磁光效应材料等，以及非晶材料、纳米晶材料、微晶材料等磁性材料的相继问世，开创了磁学与磁性材料应用的新纪元。当前，磁性材料的应用已遍及军工、航天、通信、计算机、工业、农业、医疗、互联网等领域，不仅被广泛应用于清洁能源汽车、风力发电、节能家电、工业电机、轨道交通、环境保护等民用产品，产值达几千亿美元；而且也是电子干扰与对抗、精确制导与定位、航空、航天等国防尖端技术领域重要的基础材料，是世界各国尖端技术发展和战略竞争的热点之一。

　　在 20世纪，传统磁学主要关注原子磁矩间相互作用导致的磁有序结构、集体激发及宏观磁化行为；进入 21世纪以来，现代磁学更加关注微观自旋个体的运动规律和调控方式，自旋与轨道、电荷、晶格等基本属性间的关联及由此产生的新现象、新效应。由于电子具有本征的自旋属性，伴随着天然的磁矩，所以凝聚态物理学的许多领域，如半导体物理学、表面物理、超导、强关联电子体系等，都会涉及磁学相关问题。磁学与其他领域的交叉不断产生着一些新的前沿方向和生长点，成为凝聚态物理学发展的一个重要驱动力。

　　磁场对于磁学的研究发展起着决定性作用，是调控物质磁性的直接手段。原子核和电子都具有自旋自由度，自旋和电子的轨道运动都产成磁矩，因而受到磁场的直接作用力。物质的基本磁性，如磁化强度、磁化方向、磁结构、磁畴等，都依赖于外加磁场的方向和大小。随着人工产生的磁场强度的增加，人们可以在更大能量尺度范围内研究物质的磁性变化规律。特别是，在强磁场下，当产生的塞曼能量与材料的一些本征相互作用（如交换作用、晶体场、自旋轨道耦合、自旋 —晶格耦合、电子关联等）相当的时候，可以诱导出新的相变和物态。

　　磁场下的电子行为（包括电输运、电极化、介电等）是凝聚态物理学研究的重要内容。磁场作用下产生的各种霍尔效应、磁电阻、磁阻抗、磁电耦合等物理效应不仅带来了丰富的基础物理问题，而且被广泛应用于传感器、磁存储等技术领域。这些物理效应在强磁场下可能会产生全新的物理现象和物理内容。近年来，强磁场在实现室温量子霍尔效应、拓扑绝缘体的量子反常霍尔效应等前沿工作中都发挥了重要作用。

　　强磁场也为发展更先进的实验测量技术提供了条件。强磁场下的舒布尼科夫 -德哈斯效应（Shubnikov-de Haas e?ect）可以用来研究电子能带结构，强磁场下的磁共振技术（包括核磁共振、电子自旋共振、铁磁共振等）和强磁场穆斯堡尔谱可以大幅度提高磁性测量的灵敏度和分辨率，脉冲强磁场也为激发和探测超快自旋动力学提供了强有力的手段。强磁场与极低温、超高压、强激光等其他极端条件相结合产生的先进实验设施，将会极大地提高人类探索研究物质科学的能力。

　　第二节　国内外研究现状和发展趋势

　　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以下几个方面。

　　一、强磁场下的量子磁性现象研究

　　一个自旋磁矩与磁场作用产生的塞曼能级差为 2 H。在 1特磁场下，这一能量仅相当于 1.3开的热能量，远低于常规磁性材料的有序温度 Tc。但是，低维、阻挫和量子零点运动都可以促进自旋涨落，从而大大抑制磁有序。根据平均场理论，磁有序的临界温度 Tc依赖于最近邻磁矩的数目及相邻自旋间的相互作用强度。即使在三维的晶体结构中，也可以存在准二维或准一维的磁性相互作用。由于最近邻自旋数目的减少，低维磁体的磁有序的临界温度将会被极大地降低。这些因素不仅可以有效降低低维磁体的磁有序的临界温度 Tc，而且可能产生全新的物质状态和奇特的元激发，如自旋冰、自旋液体、磁单极子、自旋孤子、磁涡旋等。此时，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。

　　在具有强量子涨落的一维自旋链中，理论预言磁化强度随外加磁场的增加会发生拓扑量子化，出现磁化强度平台，类似于二维电子气在强磁场下的量子霍尔效应。这一预言在一维自旋链体系 Cu3(CO3)2(OH)2中得到了验证：在 1.5开，其磁化强度在 16～26 特出现了对应于 1/3饱和磁化强度的平台，这是强磁场诱导新奇物态的一个典型例子。准一维自旋链体系 LiCuVO4中具有非公度螺旋反铁磁结构。最新的实验表明，在低温下强磁场可能导致量子自旋向列相（nematic phase）。

　　含有三角格子的反铁磁体是典型的磁阻挫体系，具有不同于传统长程有序的基态，如自旋冰或自旋液体。自旋冰的一个引人注目的特点是它的磁激发可以等效于磁单极子。自旋液体由于显著的量子涨落效应，出现了超越传统磁有序的量子磁性基态，具有不同的自旋激发与能隙，形成奇特的准粒子态和自旋轨道分离现象。由于具有多种量子基态，自旋液体与自旋冰成为研究量子相变和量子临界行为的理想载体。阻挫磁体在强磁场下的行为还没有得到很好的研究和理解。例如，阻挫磁体 ZnCr2O4、CdCr2O4和 Ni2V3O8在强磁场下都出现了磁化强度平台，但是其物理机理还没有得到很好的理论解释。

　　总之，磁性系统对于研究凝聚态物质的（经典和量子）相变具有独特的优势。磁性离子磁矩的选择具有多样性，晶格结构和维度可以有效控制，自旋之间的相互作用清楚明了，因而磁性系统可以用来模拟凝聚态和统计物理中的一些普适性的问题。强磁场作为调控磁性系统的直接手段，可以使人们在更宽的能量范围内不断挑战和拓展对凝聚态物质基础科学的认识和理解。

　　二、强磁场下关联电子体系中的演生现象

　　以过渡金属复杂氧化物为代表的关联电子体系中存在电子的多重自由度

　　（自旋、轨道、电荷）与晶格（声子）之间的相互关联与耦合，表现出丰富的物理现象和复杂的磁电相图。多自由度的关联导致了不同的相互竞争的基态——超导、电荷有序、轨道有序、磁有序、电极化有序。在大多数情况下，磁场可以作为一个外部参数来控制不同竞争基态的相对稳定性。磁场诱发的不同基态的竞争和演化往往伴随着物理性质的显著变化，如超导相变、金属 -绝缘体相变、庞磁电阻、巨磁热、大磁致伸缩等。这些物理效应不仅具有潜在的应用价值，而且对于澄清相关基础科学问题具有重要意义。电子关联效应还可以导致磁有序和电极化有序的共存（多铁性）及磁矩与原子位移（电极化）的彼此耦合（磁电耦合）。利用磁电耦合效应可以实现磁场改变电极化和电场控制磁性的目的。

　　当材料中存在自旋轨道相互作用的时候，在电场中运动的电子的反演对

　　称性被破坏，引起一个有效的磁感应场 B(k)，使得能带上的自旋简并在沿着某个波矢的方向上被劈裂（甚至不需要任何外场）。这种对称性破缺的场既可以由内在的德雷斯尔豪斯自旋轨道相互作用效应产生，也可以由外在的拉什巴自旋轨道相互作用效应诱导。作为一种极端实验条件，强磁场是调节电子自旋和轨道运动的最有效手段。对于大多数自旋电子材料，其自旋轨道相互作用几乎可以忽略。然而，具有高原子序数（ Z）元素的化合物往往显示出许多相对论效应，包括自旋轨道相互作用等。由于自旋轨道相互作用强度正比于 Z4，因此相对论效应的强度在 4d/5d材料中将更加明显。在过去几十年的强关联电子材料研究中，我们主要强调了 3d元素的作用，而自旋轨道相互作用现象及该现象所诱导的基本相关效应大多被忽略了。电子结构中主要以 5d—电子轨道组成的材料中，其自旋轨道相互作用将产生以前很少或从未看到过的新颖有序态。这种强自旋轨道相互作用与其他能量进行激烈竞争，在晶格、自旋和轨道自由度之间建立了独特的平衡并带来了新的物理内容。对这类强自旋轨道耦合材料的研究已经成为一个崭新的领域，代表着凝聚态物理学最前沿的研究方向之一。

　　随着人工超晶格精确生长制备技术的发展，人们可以制备出具有原子级平整的复杂氧化物异质结构，为精确控制界面处的电子关联作用提供了可能。二维界面导致空间反演对称破缺，同时会降低电子的动能使得电子关联增强。异质结界面体系中的电荷、自旋、轨道态量子序可以跨越界面相互关联，进而通过应力传递、电声耦合、电荷转移、自旋轨道重组、轨道杂化、交换作用等界面相互作用产生一系列的新奇物理现象。例如，反铁磁绝缘体与顺磁金属的界面可以是铁磁性的，两个绝缘体的界面可以是超导态的。这种异质结构界面表现出完全不同于母相性质的行为被称为演生现象。强磁场对界面演生现象的影响和调控是关联电子磁性材料未来值得关注的新领域。

　　强磁场是研究电子关联效应的一个有力工具。在很多情况下，电子关联效应需要施加足够大的磁场才能有效地调控磁电基态，从而获得完整的物理相图。例如，关联电子材料 Pr1/2Ca1/2MnO3中的电荷有序和轨道有序的融化需要外加 20～30特的强磁场。强磁场条件也为多铁性与磁电耦合效应的研究提供了有力的手段。在一些由非共线磁有序直接产生宏观电极化多铁性材料中，磁有序随外加磁场的变化产生了丰富的磁电耦合效应。例如，多铁性BiMn2O5需要施加 30特以上的强磁场才能获得完整的磁电耦合相图。在磁性热释电体 CaBaCo4O7中，磁场诱导的铁电极化一直持续到 30特都没有出现饱和。在强磁场作用下，一些顺磁铁电体也可以表现出磁电耦合效应。在金属—有机框架材料中，强磁场可以导致低温下共振量子磁电耦合效应等新奇物理现象。

　　三、强磁场诱导的变磁转变

　　磁场产生的塞曼能量与交换作用、各向异性、晶体场、电子关联等内在作用发生竞争，当塞曼能量足够大的时候，可以导致磁结构或原子磁矩改变，表现为磁化强度的剧烈变化。这种由磁场诱导的磁性转变被称为“变磁性”或“变磁转变”。变磁转变往往伴随着较大的磁熵变或形变，因而可用于磁制冷或形状记忆材料。

　　在一些 3d或 5f巡游电子体系［如 RCo2(R=Y，Lu)、La(FexSi1-x)13、Sr3Ru2O7、 UCoAl等］中，人们发现强磁场可以驱使顺磁基态向铁磁态发生一级相变，并称之为“巡游电子变磁性”。这一现象吸引了广泛的理论和实验研究者的兴趣。在极低温下，巡游电子变磁性可以用来研究量子临界现象。例如，人们通过研究 Sr3Ru2O7在 1 开以下的变磁转变和输运行为，发现了一类新的量子临界点。在不同的材料体系和温度下，发生变磁转变的临界磁场强度可以是几特斯拉到几十特斯拉，因而巡游电子变磁性的研究依赖于强磁场条件的获得。

　　反铁磁体或亚铁磁体的变磁转变更加丰富多彩。外加磁场和磁晶各向异性、交换作用的竞争可以导致反铁磁结构发生自旋倾斜、自旋反转和自旋转向等多种变化形式，是磁学基础研究的一个重要内容。有机反铁磁体在强磁场下可能出现意想不到的变磁性，例如，有机磁体 -(BETS)2FeCl4在低磁场下为反铁磁性；当磁场强度增加到18特左右时，有机磁体的反铁磁性被破坏而进入超导态；当磁场强度达到41特以上时，超导态消失，体系为铁磁态。

　　磁性离子的有效磁矩（自旋态）不仅取决于它的化学价态，还取决于其所处的配位晶体场。配位晶体场产生的能级劈裂与洪德法则竞争，共同决定了离子的自旋态。例如，LaCoO3中Co3+可以处在低自旋态、中间自旋态或高自旋态之间。一方面，热涨落可以驱使低自旋态向高自旋态转变；另一方面，强磁场产生的塞曼能量可以改变能级劈裂，进而影响自旋态的分布。自旋态的转变不仅会带来宏观磁性的变化，还可能导致晶体结构、能带结构和电子输运行为的改变。

　　除了传统的磁有序结构，如铁磁有序结构、亚铁磁有序结构、反铁磁有序结构等，磁场还可以调控或诱导出一些特殊的非共线磁结构，如螺旋磁结构、圆锥磁结构、手性条纹自旋结构、磁涡旋态等。这些复杂的非共线磁结构和磁有序结构在强磁场下的演化与相变正引起人们的关注，还有待进行进一步深入的研究。

　　四、强磁场下的拓扑磁性

　　拓扑和物理的结合为物理学的蓬勃发展带来了新的机遇。在过去的几十年中，拓扑概念不仅活跃在高能物理学和量子场论等领域，也逐渐渗透进凝聚态物理学中。自从量子霍尔效应发现以来，凝聚态物理学中的拓扑现象层出不穷，分数量子霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑超导体的发现极大地加深了人们对凝聚态物理学的理解。因此，拓扑物理已不仅仅局限于抽象的概念之中，更确确实实地体现在具体的材料和应用上。作为凝聚态物理学中拓扑现象的一个新分支，拓扑磁性正在成为一个引人注目的前沿课题。以磁性斯格明子（ skyrmion）为代表的拓扑自旋结构表现出一系列特殊的物理性质。从 2009年起，人们利用中子散射、洛伦兹透射电子显微镜、自旋极化扫描隧道显微镜、光发射电子显微镜等先进实验技术，分别在一些手征磁性材料中观察到拓扑磁畴（斯格明子）的存在。由于其独特的拓扑性质，磁性斯格明子与电子的相互作用会导致演生电磁场、拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应、拓扑多铁性等一系列新的物理现象。磁性斯格明子由于受到拓扑保护而不易被外界干扰，其尺寸在 3～100纳米可控，因而可以作为高密度磁信息存储的载体。同时，由于驱动其运动的临界电流密度要比驱动畴壁移动的临界值小 5～6个量级，因此在未来的高密度、低能耗信息存储技术及拓扑量子计算领域具有重要的应用前景。目前，拓扑磁性的研究刚刚开始兴起，拓扑自旋结构的产生与湮灭机理、其稳态特性与动力学行为、由拓扑特性演生的新物理效应都还有待进一步深入研究。特别是，对拓扑自旋态在强磁场下的行为还缺乏深入的认识，理论预言的拓扑量子相变尚缺乏实验上的证据，这些都值得未来依托强磁场实验条件开展系统的研究。

　　第三节　本学科发展的挑战与瓶颈

　　凝聚态物理学的发展在很大程度上是由不断发现的新材料体系所驱动的，磁学的发展也离不开新型磁性材料的探索和发现。目前，已发现的具有新奇磁性和物态（如自旋链、自旋冰、自旋液体、磁性斯格明子等）的材料还偏少，这将会成为未来本学科发展的一个瓶颈。同时，国内的新磁性材料探索还相对薄弱，我们主要是跟踪并追逐国际研究热点，未来需要加强新材料的多样性、系统性和长期性的探索，为取得重大原创性的成果打下材料基础。

　　稳态和脉冲强磁场的获得是研究强磁场下磁学基础科学问题的前提条件。在此基础上，将各种精密测量技术与强磁场环境有效地结合起来，是本学科发展需要克服的关键问题。目前，强磁场下的电输运测量技术已经相对成熟，人们已可以实现在几十特斯拉磁场下的电阻和霍尔效应的测量。但是，强磁场下的磁性测量还有待进一步发展和完善。实现更强磁场下磁化强度、各向异性、自旋动力学、磁共振和磁致伸缩等物性的精确测量，将是推动本学科发展的一个关键技术问题。

　　为了在微观空间尺度范围内认识并理解磁性，人们已经发展了各种磁性显微和成像技术，包括磁光克尔显微镜、光发射电子显微镜、洛伦兹透射电镜、自旋极化扫描隧道显微镜等，将这些先进磁性显微和成像技术与强磁场结合起来是未来面临的一个重大挑战。

　　中子散射技术是获得磁结构和磁激发的最有效手段之一。将中子散射和强磁场条件结合，将会极大地促进本学科的发展，也是未来面临的又一重要挑战。

　　基于同步辐射的 X射线磁圆（线）二色方法，能够区分不同元素的自旋磁矩和轨道磁矩对于磁性的贡献，能在更深层次上研究物质磁性的来源。将 X射线光源与强磁场条件结合，将对本学科的发展起到重要的推动作用。

　　第四节　展　　望

　　磁学的发展离不开磁场条件和磁体技术的不断更新和进步。随着磁场强度的提高，强磁场与物质的相互作用将会产生新的物理现象，带来新的研究内容，开辟新的磁学前沿方向。由于长期缺乏强磁场实验条件，我国在强磁场下的磁学研究远远落后于国际前沿水平。国家稳态和脉冲强磁场实验装置的建成为我国发展强磁场下的磁学研究提供了难得的契机。结合国际发展趋势及我国磁学领域发展现状，建议未来我国重点开展以下几方面研究。

　　（一）强磁场诱导的新奇磁有序、电子有序及其演化

　　研究强磁场诱导的巡游电子变磁性、离子自旋态转变、低维磁阻挫体系中的自旋液体和自旋冰、量子临界现象和量子相变的相关内容；研究复杂非共线磁结构和拓扑有序在强磁场下的演化与相变，揭示强磁场下新物态和新现象的微观起源和物理机理，建立相关科学理论体系。

　　（二）强磁场下的多自由度关联和演生现象

　　研究自旋、轨道、电荷与晶格之间的相互关联及耦合产生的丰富物理现象和复杂的磁电相图，探索强磁场由相互竞争基态的调控导致的新奇物理效应，如金属 —绝缘体相变、庞磁电阻、巨磁热、大磁致伸缩；研究强磁场作用下磁有序和铁电有序、弹性有序的共存与磁电耦合，以及人工异质结构界面处在强磁场下增强的演生现象。

　　（三）强磁场下的磁性测量和自旋动力学表征

　　发展强磁场下电输运、电极化、介电性质的测量技术及多物理场调控磁电性质的原理和方法，包括强磁场下的各向异性磁性测量、中子衍射、弹性 /非弹性散射、 X射线磁圆（线）二色谱、磁力显微镜、磁光克尔显微镜、脉冲激光、脉冲强磁场诱导自旋序转变和超快磁动力学等。

　　（四）具有新磁性物态的材料和人工结构的设计与制备

　　积极探索新型自旋阻挫材料、拓扑磁性材料、低维有机磁体、多铁性材料、高轨道关联电子材料、磁性半导体、磁性半金属、磁性拓扑绝缘体等；制备反铁磁自旋电子学结构，复杂氧化物二维电子气，铁磁 /铁电、铁磁绝缘体 /拓扑绝缘体、铁磁 /超导等异质结构；发展在强磁场下制备或处理磁性材料以优化其性能的实验技术和方法。

　　（五）新型磁性功能器件的研制

　　利用磁电耦合、自旋轨道耦合、自旋转移力矩、自旋轨道力矩、拓扑磁性等物理效应，探索实现未来新一代非易失、低能耗、高速度、超高密度存储器、逻辑运算器、人工神经突触等信息功能器件。