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超导材料基础知识介绍
超导材料具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
特性 超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。
基本临界参量 有以下 3个基本临界参量。①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。
分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。②合金材料：超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。
应用 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。
1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。
超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。
1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。
1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。
1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。
超导科学研究
1.非常规超导体磁通动力学和超导机理
主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T<Tc时用强磁场破坏超导达到正常态时的输运性质等。对有望表现出高温超导电性的体系象有机超导体等以及在强电方面具有广阔应用前景的低温超导体等，也将开展其在强磁场下的性质研究。
2.强磁场下的低维凝聚态特性研究
低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。低维不稳定性导致了多种有序相。强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。主要研究内容包括：有机铁磁性的结构和来源；有机（包括富勒烯）超导体的机理和磁性；强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；低维磁性材料的相变和磁相互作用；有机导体在磁场中的输运和载流子特性；磁场中的能带结构和费米面特征等。
3.强磁场下的半导体材料的光、电等特性
强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。
4.强磁场下极微细尺度中的物理问题
极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性；量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应；以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。
5.强磁场化学
强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松驰，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。强磁场化学是应用基础性很强的新领域，有一系列理论课题和广泛应用前景。近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。
6.磁场下的生物学、生物－医学研究等
磁体科学和技术
强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的（获85年诺贝尔奖）。量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情，并在建立电阻的自然基准，精确测定基本物理常数e，h和精细结构常数(＝e2/h(0c等应用方面，已显示巨大意义。高温超导电性机理的最终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。
熟悉物理学史的人都清楚，由固体物理学演化为凝聚态物理学，其重要标志就在于其研究对象的日益扩大，从周期结构延伸到非周期结构，从三维晶体拓宽到低维和高维，乃至分数维体系。这些新对象展示了大量新的特性和物理现象，物理机理与传统的也大不相同。这些新对象的产生以及对新效应、新现象的解释使得凝聚态物理学得以不断的丰富和发展。在此过程中，极端条件一直起着至关重要的作用，因为极端条件往往使得某些因素突出出来而同时抑制其它因素，从而使原本很复杂的过程变得较为简单，有利于直接了解物理本质。
相对于其它极端条件，强磁场有其自身的特色。强磁场的作用是改变一个系统的物理状态，即改变角动量（自旋）和带电粒子的轨道运动，因此，也就改变了物理系统的状态。正是在这点上，强磁场不同于物理学的其他一些比较昂贵的手段，如中子源和同步加速器，它们没有改变所研究系统的物理状态。磁场可以产生新的物理环境，并导致新的特性，而这种新的物理环境和新的物理特性在没有磁场时是不存在的。低温也能导致新的物理状态，如超导电性和相变，但强磁场极不同于低温，它比低温更有效，这是因为磁场使带电的和磁性粒子的远动和能量量子化，并破坏时间反演对称性，使它们具有更独特的性质。
强磁场可以在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间的对称性，这对固体的能带结构以及元激发及其互作用等研究是非常重要的。固体复杂的费米面结构正是利用强磁场使得电子和空穴在特定方向上的自由运动从而导致磁化和磁阻的振荡这一原理而得以证实的。固体中的费米面结构及特征研究一直是凝聚态物理学领域中的前沿课题。当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点都离不开强磁场这一极端条件，甚至很多是以强磁场下的研究作为基础。如波色凝聚只发生在动量空间，要在实空间中观察到此现象必需在非均匀的强磁场中才得以可能。又如高温超导的机理问题、量子霍尔效应研究、纳米材料和介观物体中的物理问题、巨磁阻效应的物理起因、有机铁磁性的结构和来源、有机（包括富勒烯〕超导体的机理和磁性、低维磁性材料的相变和磁相互作用、固体中的能带结构和费米面特征以及元激发及其互作用研究等等，强磁场下的研究工作将有助于对这些问题的正确认识和揭示，从而促进凝聚态物理学的进一步发展和完善。
带电粒子象电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。因此，研究强磁场对化学反应过程、表面催化过程、材料特别是磁性材料的生成过程、生物效应以及液晶的生成过程等的影响，有可能取得新的发现，产生交叉学科的新课题。强磁场应用于材料科学为新的功能材料的开发另辟新径，这方面的, , , 工作在国外备受重视，在国内, 也开始有所要求。高温超导体也正是因为在未来的强电领域中蕴藏着不可估量的应用前景才引起科技界乃至各国政府的高度重视。因此，强磁场下的物理、化学等研究，无论是从基础研究的角度还是从应用角度考虑都具有非常重要的科学和技术上的意义，通过这一研究，不仅有助于将当代的基础性研究向更深层次开拓，而且还会对国民经济的发展起着重要的推动作用
Intel创始人之一的戈登·摩尔在1965年做出预测：集成电路上可容纳的晶体管数量每18 24个月就会翻一番，这被称为摩尔定律。但是，近年来由于结构、材料和量子效应等多方面因素的制约，集成电路发展正在趋向瓶颈。摩尔定律正在走向终结，人类 社会 也将进入“后摩尔时代”，如何通过新材料、新结构、新原理器件的研究与开发，进一步推动集成电路的发展，是相关科研工作者不断 探索 的目标。
中国科学院物理研究所副研究员邓正就是其中一位，他研究的磁性半导体将长期以来独立发展的半导体与磁性材料融合，是集开发运算、存储和通信为一体的新一代信息器件的载体，被认为是破解后摩尔时代难题的最佳途径之一。
邓正毕业于哈尔滨工业大学材料物理专业。随后他在中国科学院物理研究所攻读博士学位，师从材料科学研究专家靳常青教授，开展超导、磁性半导体等磁电功能材料领域的研究。
人们耳熟能详的半导体构成了现代信息技术的基础，集成电路、芯片等都是以半导体为基础呈现迅猛发展的态势，但是以半导体为基础的信息技术有一个缺陷等待着科学家们解决。“电子除了电荷属性外，还有自旋属性。但是现在的技术对信息处理采用的是电荷属性，其自旋属性在集成电路里并没有得到有效的运用。”邓正解释道。
为了解决这个问题，前人已经对半导体提出新的设想：是否可以在普通的半导体中，掺杂少量的磁性离子，使得半导体不仅可以运用电子的电荷属性进行信息处理，还能利用磁性离子的自旋来进行信息的存储。这种掺杂了磁性离子的半导体，在学界被称为“磁性半导体”。
“人们寄希望于磁性半导体可以将信息存储和信息处理结合在一起，提高效率，形成一种新的技术。”邓正说，现在已经进入了后摩尔时代，磁性半导体的出现可以对信息存储、处理、传导的方式产生革新，为破解后摩尔时代难题提供一种新思路。博士期间，由于在稀磁半导体材料方面的突出成绩，邓正荣获“北京市优秀毕业生”称号和中国科学院院长奖优秀奖。
传统的磁性半导体中，III-V族的（Ga,Mn）As是标杆式的材料。邓正及团队在研究过程中发现了（Ga,Mn）As居里温度很难往上升高的原因：首先，Ga是+3价，Mn是+2价，Mn的不等价掺杂使其含量难以有效提高，这既使得材料性能对生长工艺极为敏感，又阻碍了材料居里温度的提升。其次，Mn的不等价掺杂同时引入了自旋和电荷两种属性，电荷和自旋掺杂是捆绑在一起的，这种捆绑使得材料的载流子浓度和类型难以单独调控，导致理论模型构建困难，难以得到一个普适性的物理图像。这些难题成为制约（Ga,Mn）As等III-V体系的磁性半导体进一步走向实用化的主要瓶颈。
为了破解上述困境，靳常青教授带领邓正和所在研究团队设计并发现了电荷与自旋掺杂分离的新型稀磁半导体Li（Zn,Mn）As，其中Zn是+2价的，Mn也是+2价的，通过等价磁性元素引入自旋，再通过非磁性元素Li掺杂引入电荷，从而实现了电荷与自旋掺杂机制的分离，使得材料的载流子浓度和类型不再难以单独调控，并且所有材料均能以稳定的体材料形式制备，从而克服了（Ga,Mn）As的主要瓶颈。
Li（Zn,Mn）As这一系列材料被（Ga,Mn）As的开拓者T.Ditel和H.Ohno教授列为稀磁半导体的新体系，即Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族稀磁半导体。它一方面可以为利用半导体器件中电子的自旋自由度提供新的机会，有望带来信息技术的重大变革；另一方面，它突破了传统磁性半导体存在的瓶颈。
其后，邓正所在团队在自旋、电荷分别掺杂的新机制基础上，发现了具有层状结构的新型稀磁半导体材料(Ba,K)(Zn,Mn)2As2（简称BZA）。“理论上，压力可以增加稀磁半导体的带宽并减小能隙，从而增加载流子浓度及巡游性，一般而言这将增加其居里温度。”团队从材料设计角度引入化学内压，即用Ba取代Li，得到了BZA，其居里温度达230K，超过了(Ga,Mn)As材料200k可控居里温度的纪录。同时BZA拥有与之晶格匹配的多种功能材料，比如BZA与“122”型铁基超导体(Ba,K)Fe2As2、反铁磁体BaMn2As2同构且晶格失配度小于5%，它们之间可以构成安德烈夫反射结、磁隧道结、交换偏置结等多种多组分异质结，这将有可能引发新物理现象，实现新功能。
团队关于BZA的主要研究成果“高居里温度稀磁半导体材料的发现及基本性能研究”荣获2018年度中国材料研究学会科学技术奖一等奖。基于这些优异特性，电气和电子工程师协会（IEEE）发布的“面向自旋电子学应用的演生材料路线图”推荐BZA为该领域重点研究的材料，指出“未来15年内磁性半导体的发展应该是基于BZA的室温铁磁性突破及同结构多组分异质结器件研制”。
“我们希望新材料能往前走得更远，毕竟从做出新材料到实际运用还有相当距离，对于电荷与自旋分离的新型稀磁半导体材料而言，面临着两项重要的任务：一是进一步提高可控居里温度，室温以上的铁磁性是实用化的必要条件之一；另一个是把异质结器件的研制和应用往前推进，这可以为实际应用做好技术铺垫。”邓正如是说。
压力与温度、化学组分并列为决定物质状态的3个基本参量。材料在足够高的压力下可以呈现丰富的功能演化，对稀磁半导体而言，高压可能是增强其铁磁性的有效途径之一。邓正所在的研究团队，长期研究高压为主的极端条件，对材料的物性调控，在多种超导、拓扑及磁性材料上获得了优异的性能。如前文所述，提升现有稀磁半导体的居里温度是领域的核心问题之一，邓正和所在团队已经利用高压对稀磁半导体开展了研究，并初见成效。他们观察到压力对居里温度的高效调控，并发现保持晶体结构中核心基元的理想构型是提升居里温度的重要前提。
除了自己的不懈坚持，恩师的帮助也是邓正十余年科研的关键词。靳常青教授有着三十余年从事高压极端条件材料科学研究的经验，他实现了高压极端条件材料制备和表征技术的突破，在功能材料设计研制领域有着系统性的创新贡献，他的指导让邓正受益匪浅。靳常青教授一直引导着邓正向磁性半导体领域深入 探索 ，他严格的要求、严谨的科研态度和无微不至的关怀照顾，也让邓正感动不已。邓正说，靳常青教授让他感觉到一个科研工作者就应该是这样的，导师的科研精神体现在日常的每一件小事上。靳常青教授积极引荐他和稀磁领域的知名学者交流学习，比如和我国最早开展稀磁半导体材料研究的学者之一的中国科学院半导体所的赵建华研究员等同行进行合作讨论，丰富了他对稀磁半导体材料的认识。
2020年，邓正入选中国科学研究院青年促进会。在青促会的支持下，成员可以拥有更大的自由 探索 空间，这对基础研究领域的科研人员有很大帮助。这一年，邓正入选北京市 科技 新星计划，研究主题是“极端条件下的新型磁电耦合材料”。在这两个人才项目的支持下，他将踏上新的征程，在新型稀磁半导体Li(Zn,Mn)As和BZA的研究工作基础上，进一步提高材料居里温度，并发展基于这些材料的同结构异质结器件，为材料的实际应用做好技术储备。
他说，寻找新材料是材料科学 探索 的永恒主题，稀磁半导体是突破摩尔定律瓶颈的理想材料之一，是获得更高居里温度和优异磁、电性能的有效途径之一，其研究意义不言而喻。迄今为止国内外对新型稀磁半导体的研究仍大多集中在 探索 多晶形态新材料的阶段，对材料的物性和机制的研究刚刚起步，得到的有限结果尚不足以形成完备的理论体系。“我们希望通过开发新的材料，提高新型磁性半导体的居里温度，为本领域注入新的活力，开辟一个新的方向。也许就在不远的将来，我们能研制出包含低功耗、超高速的搜索引擎，云计算、大容量的网络存储和数据存储等信息处理技术的异质结器件。”
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