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科学与发现

超导体中分段费米面的发现

超导是物理学中一个长盛不衰的研究课题。超导体具有零电阻和完全抗磁性等奇特性质，同时具有重要的实际应用价值。当超导体进入超导态后，费米能级处产生能隙，所以不存在费米面。1965年，理论物理学家预言当超导体中库珀对动量足够大时，可以在超导能隙中产生准粒子，从而形成一种特殊的分段费米面。但由于传统超导体库珀对动量大到产生准粒子时，库珀对也会破裂而失去超导，该预言在过去50多年都没有被实验证实。

受限晶体结构铝合金的超低扩散行为

原子扩散是自然界的一种常见现象，也是材料制备加工过程中调控材料结构性能的一个基本过程。金属材料中原子扩散速率显著高于具有共价键或离子键的陶瓷和化合物，利用金属的高扩散速率可以在较低温度下大幅度调控金属材料的结构和性能，获得良好的综合性能。但另一方面，高扩散速率会使金属材料在高温下结构失稳，导致许多优异性能丧失。如何有效降低金属和合金中的原子扩散，提高材料结构和性能在高温下的稳定性，一直是材料科技领域的一个重大科学难题，也是发展高性能金属材料的重要技术瓶颈之一。

新型高强高稳定性亚稳态固体结构—受限晶体

金属通常以多晶体形式存在，内部包含大量晶界面；由于晶界区原子往往呈杂乱无序的排列，使多晶体的稳定性远低于完整晶体（单晶体）。晶粒尺寸越小晶界原子比越大，多晶体的稳定性就越低。对于某些金属合金，当晶粒尺寸减小到足够小时（通常为几纳米），整个多晶体结构失稳，形成一种亚稳的非晶态固体。但通常非晶固态只在有限的合金成分范围内才能形成，所以材料科学和凝聚态物理领域长期以来存在一个重要的基础性问题：在多晶体晶粒尺寸不断减小接近某极限值（如原子尺寸）前是否还存在别的亚稳态结构？

利用梯度纳米结构显著降低Cu-Ag合金摩擦系数

金属材料的干摩擦系数（通常处于0.6-1.2之间）普遍较高，其原因是摩擦过程中接触表面下方产生塑性变形，导致表面粗糙化以及形成易脱落的摩擦层。在工程应用中，降低金属零件之间的摩擦系数对提高其可靠性及效率尤为重要，但在技术上极具挑战性。纳米金属有限的塑性变形能力使其在摩擦过程中容易发生应变局域化，成为制约降低金属摩擦系数的瓶颈。

金属镍中发现超硬超高稳定性二维纳米层片结构

近半个世纪以来，材料科学家对结构细化过程进行了广泛深入的研究，旨在探索通过塑性变形实现金属材料结构纳米化，从而大幅度提高其强度等力学及物理化学性能。但是，经过几十年的努力，发现利用塑性变形技术可以将晶粒细化至亚微米(0.1~1微米)尺度，继续增加塑性变形这种亚微米尺度晶粒不再继续细化，也就是说晶粒尺寸达到了其极限。此外，结构稳定性随着强度提高逐渐降低，表现为强度-稳定性的倒置关系。

铁电材料中通量全闭合畴结构的发现

自1986年起，物理学家就相继预测在一定的条件下铁电材料中可能出现通量全闭合结构，且理论上该结构可带来超高密度的信息存储功能。但经过几十年的探索，通量全闭合畴结构虽然在铁磁材料中已有报道，但在铁电材料中却一直没有得到实验证实，其主要困难在于铁电材料中通量全闭合结构必然导致巨大的晶格应变。如何突破铁电极化与晶格应变的相互制约，实现极化反转与晶格应变的有效调控，获得有望用于超高密度信息存储的结构单元，是当今铁电材料领域面临的一个重大基础性科学难题。

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