沈保根

沈保根,男,中国科学院物理研究所研究员,第十二届全国政协委员,中国科学院院士。1952年9月1日生于浙江省平湖市。1976年毕业于中国科学技术大学物理系。历任中国科学院物理研究所研究实习员、助理研究员、副研究员、研究员。1986-1988年作为洪堡访问学者在徳国鲁尔大学从事稀土永磁材料研究,1995年在荷兰阿姆斯特丹大学作访问学者。曾任中国科学院物理研究所党委书记,中国科学院副秘书长等。现任中国科学院物理研究所研究员、博士生导师,磁学国家重点实验室主任,兼任《Chinese Physics B》和《物理学报》副主编、《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》等8个杂志编委,中国电子学会应用磁学分会主任,中国物理学会磁学专业委员会主任等。2011年当选中国科学院院士。沈保根长期从事磁学和磁性材料的研究工作,主要工作有:

1、LaFeSi基等新型磁热效应材料的研究。(1)磁热效应和磁制冷材料的研究是国际上凝聚态物理研究领域的热点课题之一。围绕新型磁热效应材料的探索以及磁热效应产生的物理机理等问题,沈保根和他的研究团队深入系统地研究了LaFeSi基化合物的结构、相变、磁性和磁热效应,成功合成出了具有NaZn13型结构的新型低Si含量LaFeSi化合物,发现了一级相变LaFeSi化合物在其相变温度附近显示出巨大的磁热效应。在此基础上,利用中子衍射、穆斯堡尔谱、电子结构计算和磁性测量等手段研究了LaFeSi基化合物大磁热效应的物理机制,揭示了大磁热效应来源于与之相伴的晶格负热膨胀和巡游电子变磁转变行为。通过引入Co或者C、H等间隙原子调控交换作用,优化了LaFeSi基材料的磁热性能,得到室温磁熵变值超过传统材料稀土Gd的2倍。LaFeSi基化合物大磁热效应的发现,得到了国际同行的肯定和关注,自从他们的首篇文章发表以来,国内外已有120多个实验室相继开展了这方面的研究。他们的主要研究成果被国际著名磁学专家Tishin教授、Buschow教授等的5本专著和10多篇综述评论文章收录和引用。单篇论文最高被引用570余次,是80多年来国际上发表的磁热效应论文中被引用次数最多的6篇文章之一。已有的研究证明,LaFeSi基材料是目前国际上用于样机试验性能最佳的室温区新型磁制冷材料之一。(2)一级相变体系中磁熵变的确定是磁热效应研究的基础,结合磁测量技术与Maxwell关系分析研究二级相变材料的磁熵变性质一直是国际上通用的研究方法。但适用于二级相变体系的研究方法是否也适用于一级相变体系,10余年来一直存在很大的争议。他们从理论和实验上深入研究了一级相变体系的相变过程与磁热效应的关系,发现实际体系的相变往往在有限温度区间内完成,若在相变点附近铁磁和顺磁两相共存时,磁场只能诱导顺磁相发生变磁转变对熵变有贡献。因此,在铁磁-顺磁两相共存的一级相变相分离体系中,Maxwell关系不能简单地用于计算相分离体系的熵变值。他们的研究结果澄清了Nat. Mater.、Phys. Rev. Lett.等杂志所报道的某些材料具有超大磁熵变的错误,给出了相分离体系磁熵变的确定方法,解决了多年来一直有争议的重要问题。(3)他们还在Heusler合金NiMnGa中发现了室温大磁热效应,揭示了磁弹性和磁热效应的密切关联,证明了大磁热效应来源于马氏体结构相变。并将磁热效应研究拓宽到室温以下的整个温区,先后发现了ErGa、DyCuAl、ErFeSi、HoNiIn、Er3Co等多种新型低温实用性巨磁热效应材料。

2、稀土永磁材料的研究。新型稀土-过渡族永磁化合物和高性能稀土永磁材料的探索一直是国际上磁学和磁性材料研究的热点课题之一。沈保根系统研究了2:17型稀土-铁基化合物的晶体结构、磁结构、交换相互作用及晶场效应等问题,发现在Sm2Fe17化合物中,少量Ga替代Fe可产生原子的择优占位,能使2:17型稀土-铁化合物交换作用明显增强,显著提高居里温度,也导致室温磁晶各向异性由易面转为易轴,进一步地获得了室温单轴各向异性的Sm2(Fe, Ga)17化合物。他们还研究了2:17型稀土-铁基永磁碳化物的磁性和热稳定性,发现少量Ga的替代不仅可提高稀土-铁碳化物的磁晶各向异性,而且有助于稳定2:17型稀土-铁碳化物的晶体结构。在此基础上,他们用少量的Ga替代2:17型钐铁碳化物中的Fe,采用电弧熔炼的方法合成出了结构稳定、高居里温度、强单轴各向异性的稀土永磁新材料。这种新型稀土-铁永磁碳化物,其热稳定性明显高于当时国际上广泛重视的Sm2Fe17Ny材料,得到了国际同行的肯定,主要研究成果被国际著名磁学专家Sellmyer教授、Kronmüller教授和Buschow教授等主编的8本磁性材料专著收录和引用。他们还从实验和理论上系统研究了快淬NdFeB合金的相结构和永磁性,制备出具有单一硬磁相磁化行为的Fe3B基低钕快淬NdFeB永磁新材料,解释了Fe3B 基纳米复合永磁材料不同于以往任何一类单相稀土永磁材料的磁硬化机理,成为以后永磁研究的新课题。与此同时,还成功合成出了多种高性能新型纳米稀土永磁材料,深入研究了晶间交换耦合作用对剩磁、矫顽力和磁能积的影响,发现了纳米永磁材料的剩磁增强现象来源于晶粒间的交换耦合作用,晶粒间的交换耦合作用在单相永磁材料与纳米复合永磁材料中对矫顽力和剩磁的影响具有不同的机制,揭示了纳米晶复合稀土永磁材料矫顽力对晶粒尺寸的依赖关系,拓展了技术磁化理论的内涵。

3、非晶态合金的磁性和输运性质研究。深入研究了非晶态合金的磁性、电性和晶化动力学,在铁基非晶态合金中观察到了低温电阻率反常现象,用类kondo效应机制对其作了很好解释。研究了金属-金属基非晶态合金的磁性,解释了非共线磁结构引起的低原子磁矩、低居里温度和大高场磁化率等反常物理现象。

沈保根发表学术论文390余篇。获国家授权发明专利30多件。培养博士研究生30余名。曾获国家杰出青年科学基金,香港求是科技基金会“杰出青年学者奖”和中国物理学会叶企孙物理奖,先后5次获省部级自然科学或科技进步二等奖,2005和2010年度分别获北京市科学技术一等奖,2012年度获国家自然科学二等奖。

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