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
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。