中国超导电子学研究及应用进展

超导体的发现距今已有近110年了,高温超导体的发现也已经有30多年了.超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展.高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能,已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用.超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度,成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段.包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射,具有接近量子极限的超高灵敏度,在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用.超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件.超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图,成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一.在计量科学中,超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中.在当前的量子信息技术热潮中,超导电子学扮演重要角色,同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展.本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.     

基于超导量子器件的量子计算

超导量子器件能够展现宏观量子相干性.基于超导量子器件的量子计算是量子信息领域中的一个重要研究方向,同时,超导量子器件物理特性的研究也是目前凝聚态物理和量子光学领域的交叉前沿课题.文章简述了近年来在超导量子计算方面的一些重要结果和进展,并讨论了其研究现状和发展趋势.     

超导涡旋玻璃

超导涡旋系统的性质丰富多彩，对它的理论和实验研究已积累了大量的新知识，以致形成了凝聚态物理的一个新分支－涡旋物理学，涡旋固体可以是玻璃态或结晶态，其强度直接联系超导应用的主要参数之一的临界电流密度，使这一研究有浓厚的应用背景，文章试图深入浅出地介绍超导涡旋玻璃的基本内容与特征，着重于其存在的物理基础和证据。希望这一涉及多种物理分支学科，使用多种专门理论工具和精巧实验方法研究出来的新物态为更多的读者     

超导研究领域中的马梯亚斯奖、巴丁奖和昂纳斯奖

2011年是超导电性发现100周年.本文介绍了除诺贝尔奖之外,专门在超导研究领域设立的3个物理学奖项:马梯亚斯奖、巴丁奖和昂纳斯奖.这3个奖项分别奖励在超导材料、超导理论和超导实验领域做出卓越贡献的物理学家.迄今为止,已有35位著名物理学家获此殊荣.     

氧化物异质界面上的准二维超导

由于对称性破缺、晶格失配、电荷转移和空间限域等多自由度的协同关联作用,氧化物异质界面演生出许多与相应体材料所不同的物理性质,其中氧化物界面超导由于蕴含丰富物理内涵吸引了广泛的关注.近年来,得益于氧化物异质外延以及物性精准表征技术的迅猛发展,研究人员已经在多种氧化物异质界面上观测到了准二维的界面超导,并研究了与其相关的许多新奇量子现象,不仅推动了凝聚态物理研究的发展,也为界面超导走向实际应用奠定了重要基础.本文主要介绍和讨论氧化物界面上的准二维超导,以典型的LaAlO₃/SrTiO₃界面准二维超导及La₂CuO₄/La_1.56Sr_0.44CuO₄等铜氧化物界面超导为例,总结分析氧化物界面超导中新奇的物理现象,并指出该研究体系目前存在的一些问题,最后展望界面超导未来的发展方向.     

饱和铁芯型超导限流器的应用研究述评

在主动式短路电流控制措施中,超导故障限流器因其特殊的物理特性,具有可观的发展潜力。将饱和铁芯型超导限流器与其他几类超导限流装置进行了对比,调查分析了该类限流器及其超导材料在国内外的研究、应用进展。重点描述了国内正在试制的改进饱和铁芯型限流器的拓扑结构和工作原理,并针对此类装置的铁芯结构、直流绕组过电压、直流励磁系统等技术问题进行了讨论。从故障识别、超导材料、铁芯结构等方面分析了饱和铁芯型超导限流器未来发展的关键技术问题,为该型装备的深入研发与应用提供参考。     

电磁感应理论在磁悬浮列车中的应用

介绍了电磁感应和超导基本理论的实际应用－磁悬浮列车。以日本超导磁悬浮列车为例，阐述其作用原理，介绍了超导磁悬列车的发展状况。指出在物理教学中，理论学习与实际应用相结合是提高学生学习兴趣和培养创新能力的有效途径。     

相位与约瑟夫森效应及其在超导中的应用

 许多物理效应(如多普勒效应,约瑟夫森效应、ＡＢ效应、干涉效应、量子霍尔效应)都与相位紧密相关,且相位的物理效应已在很多领域中得到了验证和应用。本文就相位与约瑟夫森效应及其在超导现象中的应用进行分析和讨论。一、约瑟夫森效应当两块超导体之间所夹绝缘层的厚度很薄(10-7ｃｍ左右)时,两超导体中的电子对会因隧道效应而耦合,电子对将从一块超导体进入另一超导体,形成超导(隧导)电流,而两超导区的电子对波函数具有确定的相位关系,这种现象称为约瑟夫森效应。1962年约瑟夫森研究了两块超导体被一层薄绝缘层分开的Ｓ-Ｉ-Ｓ结,即超导的隧道结,从理论上预言将会有以下的物理效应。     

超导电力技术即将带来电力工业的革命

人们认为,超导全在电力方面出现大规模应用的时间距离我们还非常遥远。然而,随着最近几年来实用高温超导材料的研制取得重大的进展,高温超导电力技术的应用已经成为现实。预期将在２０１０年左右出现大规模的应用,并将带来电力工业的革命。因此,下一个１０年将是国际超导技术竞争最关键的１０年。我国的经济发展很快,电能需求量增加十分迅速,对电能质量的要求也越来越高。常规电力技术已经无法满足我国电力发展的需要,超导电     

超导及其应用专题编者按

1911年荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes首次在金属汞中发现超导现象以来,超导作为人类发现的第一个宏观量子现象已经有百余年的研究历史.在这百余年的时间里,人们对传统的低温超导材料的认识及应用已经取得了巨大的成就,尤其是关于其超导机理的BCS理论的建立极大地推动了凝聚态物理的发展.在铜氧化物高温超导体发现后的近三十余年里,源于对其机理的研究开辟了基础物理新的领域,也为超导体的应用带来了新的技术.然而,非常规高温超导机理的研究和高临界参数的新超导体的探索仍面临许多挑战.     

超导磁体与磁通泵

<正>超导现象发现至今已经一百多年。通常一项突破性的发现在经历一百年左右的时间就可以衍生出许多生活中普及的技术。超导作为一项高技术在应用领域的表现却不十分令人满意。其原因之一是所面临的障碍不仅仅在于技术本身,还面临低温技术难以普及和超导材料的高成本难以降低。人们期望在不久的将来可以降低低温对超导技术的限制,研究出室温超导材料,期望发现更多便于应用的超导材料。虽然目前已经发现了上万种材料具有超导特性,但其中绝大部分     

超导及其军用前景

 1911年荷兰科学家昂内斯(Ｈ.Ｋ.Ｏｎｎｅｓ)在测量汞电阻实验中发现了超导,从此,超导走进人类社会。超导体处于超导态时电阻率为零,且具有完全抗磁性,正由于它这不同寻常的特性,潜藏着无比广阔的应用前景,几十年来吸引着大批科学家孜孜不倦地探索它的奥秘。近年来超导研究飞速发展,不少国家在实用化超导技术的开发应用中取得累累硕果,大批超导产品纷纷问世。据国际超导产业技术研究中心等机构预测,到2020年,超导产业在电子和医疗等领域将发挥重要作用,会发展成1500亿美元的巨大国际市场。     

极端的手段、极端的目标——超导电子器件及其应用

超导电性既是物理学中一个光彩夺目的领域,也是电力工程和电子学中许多独特的新应用的源泉．工作于液氦或液氮温区的超导电子器件,固然有赖于“低温”的极端手段,却能在灵敏度、频带宽度、响应速率等方面达到极端的目标．文章以液氦温区超导体为主,简述了有关的电子器件的基本原理和应用类型,并展示了其发展前景,以纪念超导现象发现一百周年．     

超导量子比特

随着2019年谷歌成功实现了“量子优势”,超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件,目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其器件结构,并讨论器件的制备方法和量子态测量技术,最后对基于超导量子比特开展的物理问题的研究做一简单介绍.     

铁基材料 KxFe2-ySe2中一种可能的超导基态相K2Fe7Se8的发现*

铁基超导体的发现开启了探索超导材料的新一轮热潮。最新发现的铁基超导体 KxFe2-ySe2有着许多不同寻常的性质。此材料中明显存在相分离,材料中主要的部分是具有反铁磁性质的绝缘相 K2Fe4Se5,超导相只占少量体积。但是超导相在物理上很重要,因为根据理论计算,该材料中不存在空穴型费米面,这样该领域中被广泛接受的S ±配对图像似乎受到挑战。相分离的存在致使此材料中相关研究的难度非常大。该文介绍了此材料中超导相的探索和研究,确认了此材料的超导相是以三维网络状的细丝形态存在,并提出超导的母体相可能是每8个 Fe 位置有一个 Fe 空位形成的8×10这种有序平行四边形结构,称为K2Fe7Se8相。     

低维超导的实验进展

超导自发现以来, 已成为凝聚态物理领域最重要的方向之一. 近年来, 低维材料制备技术的进步使得一维或二维的超导特性实验研究成为可能. 本文在简要介绍超导现象的基础上, 重点回顾了近些年二维超导薄膜和一维超导纳米线的制备和电输运研究, 以及在低维超导体中发现的相移、近邻效应、铁磁超导相互作用和高温超导等新奇的现象, 并对该领域的进一步发展做出了展望.     

宏观人工原子相关的量子相干操纵

文章着重介绍作者及其合作者于2005年8月份发表在Physical Review Letters的2篇文章及其相关的系列研究工作．其中包括：（1）利用超导电荷量子比特的“Bang—Bang”控制，去冷却与之相耦合的纳米机械谐振器件，使之接近基态，以展示其丰富的量子效应；（2）具有△型能级结构超导人工原子的物理实现及其绝热量子操纵的奇异特性．为了深入了解这些工作的物理和潜在的应用背景，文章同时也介绍了超导量子比特物理实现及其相关的“全固态系统腔量子电动力学”研究的新进展，强调了基于超导人工原子的强耦合量子光学结构形成的物理机制．     

超导在加速器中的应用概况

文中简要回顾了世界上已建造的大型超导加速器,重点介绍未来的超导加速器方案,对超导新材料在加速器中的应用研究以及我国超导在加速器中的应用研究情况作了简要介绍.     

FeSe基超导单晶与薄膜研究新进展:自旋向列序、电子相分离及高临界参数

FeSe基超导体的超导临界温度可大范围调控,物理现象丰富,是非常规超导机理研究的热点.由于较高的超导临界参数及易于加工等特点,FeSe基超导体在超导应用开发方面也日益受到重视.大尺寸高质量的单晶和薄膜形态的FeSe基超导材料,对于相关基础科学研究和应用开发都极为重要.作者近年来先后开发和发明了水热离子交换（ion-exchange）、离子脱插（ion-deintercalation）、基底辅助水热外延生长方法,成功解决了二元FeSe和插层（Li,Fe）OHFeSe超导体高质量单晶和薄膜的生长和物性调控难题.进而在相关物理问题的研究中取得新进展,包括发现二元FeSe中自旋向列序与超导电性密切相关,观测到（Li,Fe）OHFeSe中的电子相分离现象.此外,（Li,Fe）OHFeSe超导薄膜呈现很高的超导临界电流密度和上临界磁场,其应用前景值得关注.     

基于新型超导电荷量子比特的几何量子门

超导量子系统被认为是最可能用于实现大规模量子计算、量子信息、以及量子存储等的物理系统之一.本文在一种特别设计的超导电荷比特的基础上,通过微波腔与超导比特的相互作用,探讨了在此系统中实现几何相单门以及非常规几何相两量子门的途径,并讨论了制备多量子比特最大纠缠态的方法.