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量子材料已經(jīng)熱鬧了好多年，但是國(guó)內(nèi)網(wǎng)站上對(duì)量子材料的介紹卻很難令人滿意。比如像百度百科中有關(guān)量子材料介紹，主要內(nèi)容其實(shí)都是關(guān)于量子點(diǎn)材料的，而當(dāng)前人們所說(shuō)的量子材料其實(shí)包含了量子點(diǎn)材料以外的許多新材料。比如高溫超導(dǎo)體，拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俚仍S多材料都已經(jīng)被歸類到量子材料中了。但是量子材料有沒(méi)有更全面或者說(shuō)更靠譜的定義呢？
1. 量子材料的概念演化 -先從Web of Science 查查看?
在Web of Science 上檢索主題為帶冒號(hào)的“quantum materials”的論文，一共有293個(gè)結(jié)果。再加上單數(shù)的“quantum material”形式，檢索主題: (“quantum materials”) OR 主題: (“quantum material”)共顯示384條記錄。這些結(jié)果對(duì)應(yīng)的學(xué)科分布情況見(jiàn)圖1.
圖1： Web of Sciences檢索主題: (“quantum materials”) OR 主題: (“quantum material”)得到共384篇論文的前十個(gè)學(xué)科的分布
由圖1可以看出，量子材料大體上按照物理、材料科學(xué)、工程、化學(xué)的次序，與這些學(xué)科都有關(guān)系。（從以下介紹就容易理解為什么量子材料與這些學(xué)科都有關(guān)系）。
按照發(fā)表年度統(tǒng)計(jì)，可得到圖2。
圖2： Web of Sciences檢索主題: (“quantum materials”) OR 主題: (“quantum material”)得到共384篇論文的按照出版年的統(tǒng)計(jì)
從圖2可以看出，2007年以前，每年發(fā)表的主題為”quantum materials”或主題”quantum material”有關(guān)論文不到3篇。1979年到2008年的30年里，總共發(fā)表文章數(shù)只有33篇。而在最近10年，主題為量子材料的出版物數(shù)量有非常快速的增長(zhǎng)。在2015年一年內(nèi)就發(fā)表論文30篇，2018年增長(zhǎng)到了121篇。照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)估計(jì)，2019年會(huì)增加到接近200篇。
這里需要說(shuō)明的是：更多的論文雖然研究對(duì)象是量子材料，但因?yàn)樵谥黝}中沒(méi)有寫(xiě)出來(lái)，就不會(huì)出現(xiàn)在以上檢索結(jié)果中。比如2018年一年發(fā)表的主題為topological insulator 的論文就有2164篇，主題為topological materials 的論文為2,443篇，而主題為graphene的論文更是高達(dá)48,691篇。把屬于量子材料的所有論文都統(tǒng)計(jì)在內(nèi)的話，每年估計(jì)至少也有十萬(wàn)篇以上。
在以上結(jié)果中，最早的一篇論文是1979年發(fā)表在SOLID STATE COMMUNICATIONS 上的一篇題為界面三聲子過(guò)程和異常界面能量傳輸 （INTERFACIAL 3-PHONON PROCESSES AND ANOMALOUS INTERFACIAL ENERGY-TRANSPORT）的文章，其中的量子材料指的是液態(tài)或固態(tài)的氦、氫或氘（3He，4He，H2，D2）。上世紀(jì)90年代以來(lái)到本世紀(jì)前幾年，量子材料為主題的論文研究對(duì)象主要是量子點(diǎn)材料。最近的十幾年，量子材料得到了快速發(fā)展，一個(gè)重要的原因是人們發(fā)現(xiàn)了很多前所未有的新型量子材料和與這些材料相關(guān)聯(lián)的新奇性質(zhì)和物理效應(yīng)，如石墨烯、鐵基超導(dǎo)體、拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俚?。研究這些材料不但有助于人們了解復(fù)雜體系的合作行為并發(fā)展出新的物理理論，而且可能用來(lái)解決人類當(dāng)前面臨的能源、信息、量子通訊和計(jì)算等方面的問(wèn)題，推動(dòng)下一次產(chǎn)業(yè)革命。
2. 維基百科中的量子材料條目
再來(lái)看看維基百科有關(guān)量子材料的條目https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_materials：
量子材料是凝聚態(tài)物理學(xué)中的一個(gè)寬泛的術(shù)語(yǔ)，它包含了具有強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)的材料和/或存在某種類型的電子序（超導(dǎo)，磁有序），或具有由不尋常的量子效應(yīng)導(dǎo)致的電子特性的材料，如拓?fù)浣^緣體，類似石墨烯的狄拉克電子體系，以及其集體性質(zhì)受真正量子行為控制的系統(tǒng)，如超冷原子、冷激子、極化激元等。 量子材料研究中的一個(gè)共同線索是突現(xiàn)（emergence）的概念。
歷史
2012年，約瑟夫·奧倫斯坦在物理學(xué)雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于“量子材料的超快光譜學(xué)”的文章。[Orenstein, Joseph (2012-08-31). “Ultrafast spectroscopy of quantum materials”. Physics Today. 65 (9): 44–50.]他說(shuō)：
量子材料是一種標(biāo)簽，用來(lái)表示以前在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域以前被稱為強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的領(lǐng)域。雖然這個(gè)領(lǐng)域很寬泛，但是一個(gè)統(tǒng)一的主題是發(fā)現(xiàn)和研究那些電子特性無(wú)法用當(dāng)代凝聚態(tài)物理教科書(shū)的概念來(lái)理解的材料。
作為一個(gè)范例，奧倫斯坦提到由于強(qiáng)關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的Landau Fermi液體理論的失效。術(shù)語(yǔ)“量子材料”的使用已經(jīng)擴(kuò)展并應(yīng)用于其他系統(tǒng)，例如拓?fù)浣^緣體和狄拉克電子材料。自“量子材料的興起”一文于2016年在“自然物理學(xué)”上發(fā)表以來(lái)，該術(shù)語(yǔ)獲得了更多的注意和應(yīng)用。[“The rise of quantum materials”. Nature Physics. 12 (2): 105. 2016-02-01]
雖然說(shuō)在所有材料中都要受到量子力學(xué)的定律的支配，量子材料的說(shuō)法可能被某些人認(rèn)為過(guò)于寬泛，或只是為了引人注目。但如果看到了凝聚態(tài)物理的發(fā)展歷史，就有充分的理由接受量子材料。從本質(zhì)上講，它們提供了一個(gè)共同的線索將研究物理、材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種前沿問(wèn)題的不同研究領(lǐng)域的人們聯(lián)系在一起。
3. 再看看npj- Quantum Materials 期刊的介紹
我們也可以從Nature 子刊npj- Quantum Materials的介紹來(lái)了解量子材料。npj Quantum Materials是一本開(kāi)放獲取期刊，發(fā)表的論文極大促進(jìn)了人們對(duì)量子材料的理解，包括其基本屬性，制造和應(yīng)用。該學(xué)術(shù)期刊是量子材料領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)術(shù)期刊，它涵蓋的應(yīng)該是比較靠譜的屬于量子材料的范圍。
該期刊專門(mén)涵蓋的研究領(lǐng)域包括：?
超導(dǎo)電性和超導(dǎo)材料：非常規(guī)超導(dǎo)體、銅酸鹽、鐵基體系、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、其他新型超導(dǎo)體。?
關(guān)聯(lián)電子物理與材料：Mott絕緣體、關(guān)聯(lián)電子體系中的磁性、巨磁電阻、多鐵性和多鐵材料、量子相變、關(guān)聯(lián)電子體系中的理論和數(shù)值方法。?
拓?fù)淞孔游锢砗筒牧?/strong>：拓?fù)浣^緣體和拓?fù)涑瑢?dǎo)體、Dirac半金屬和Weyl半金屬、Majorana費(fèi)米子、磁性拓?fù)浣^緣體、新型拓?fù)淞孔討B(tài)、拓?fù)洚愘|(zhì)結(jié)構(gòu)和器件。?
其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)：重費(fèi)米子、非費(fèi)米液體、量子臨界現(xiàn)象、量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、人工量子結(jié)構(gòu)中的相關(guān)性、玻色 – 愛(ài)因斯坦凝聚和超流體、超冷原子和相關(guān)系統(tǒng)。?
先進(jìn)能源材料中的量子現(xiàn)象：光伏系統(tǒng)、光催化、電池和燃料電池、熱電、其他先進(jìn)的能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存。
4. 量子材料的興起
以下這部分內(nèi)容摘譯了發(fā)表于Nature Physics volume 12, page 105 (2016)的題為“The rise of quantum materials”的評(píng)論。
突現(xiàn)（emergence）現(xiàn)象在凝聚態(tài)物質(zhì)中很常見(jiàn)。對(duì)這些現(xiàn)象的研究現(xiàn)在已經(jīng)超越了強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系，從而產(chǎn)生了更廣泛的量子材料概念。
根據(jù)發(fā)表的出版物產(chǎn)出數(shù)量來(lái)衡量，凝聚態(tài)物理是物理學(xué)中最大的領(lǐng)域。它的規(guī)模來(lái)源于它的廣度：處在“凝聚”相中的系統(tǒng)的研究可以應(yīng)用于幾乎無(wú)限的問(wèn)題，如磁性，超導(dǎo)性和超流性，在很多例子中暫且只提這三個(gè)。這里研究方法的基石是對(duì)稱性破缺的概念，即凝聚相比未凝聚的對(duì)應(yīng)物具有更低對(duì)稱性的想法（例如，固體具有比氣體更低的對(duì)稱性）。首先理解這些現(xiàn)象的框架是Landau-Ginzburg相變理論：通過(guò)確定反映系統(tǒng)基本對(duì)稱性的合適序參數(shù)（例如材料的密度，繼續(xù)我們的固態(tài)示例），可以精確定出出現(xiàn)該對(duì)稱性所需的條件。
因此，20世紀(jì)60年代和70年代凝聚態(tài)物理學(xué)的首要主題是不斷尋求序（order）。擁有植根于對(duì)稱性的美麗思想，這些概念事實(shí)上也滲透到凝聚態(tài)物質(zhì)之外的物理，物理學(xué)家們都專注于找出適應(yīng)于他們選擇的研究體系的相關(guān)的、（更為關(guān)鍵的是）可測(cè)量的序參數(shù)。不可避免地，工作往往集中在最難破解的問(wèn)題上 – 通常是那些沒(méi)有可辨別的序參數(shù)的問(wèn)題，或者，如果有的話，也以不同尋常的復(fù)雜程度為特征。
由于這些問(wèn)題持續(xù)到20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵的發(fā)展。首先，認(rèn)識(shí)到Landau-Ginzburg范式存在例外，例如作為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)基礎(chǔ)的拓?fù)湫?。其次，高溫超?dǎo)的發(fā)現(xiàn)引起了對(duì)所謂的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的興趣。當(dāng)然，自Nevill Mott時(shí)代就已經(jīng)知道了多體問(wèn)題，但是許多問(wèn)題或多或少與超導(dǎo)電性直接相關(guān)，例如重費(fèi)米子，量子臨界和贗能隙的物理特性，再加上科學(xué)家們可用到的計(jì)算能力的快速增長(zhǎng)，帶來(lái)了一個(gè)新的正面攻擊這個(gè)問(wèn)題的緊迫性。
雖然超導(dǎo)機(jī)制仍然難以捉摸，但強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的時(shí)代帶來(lái)了許多重大發(fā)展。然而，其中最重要的可能不是嚴(yán)格意義上的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。相反，它是一種觀點(diǎn)的改變。對(duì)材料的非平凡或“奇異”電子特性的研究促進(jìn)了對(duì)由強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)產(chǎn)生的各種突現(xiàn)現(xiàn)象 （無(wú)法從單個(gè)電子的特性預(yù)測(cè)的合作行為）的認(rèn)識(shí)。這些包括諸如磁單極子（monopoles）和斯格明子（skyrmions）之類的突現(xiàn)激發(fā)，其描述在許多方面比產(chǎn)生它們的原始激發(fā)“真空”更簡(jiǎn)單。
對(duì)突現(xiàn)性質(zhì)的這種體驗(yàn)恰好與拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相吻合，拓?fù)浣^緣體是在用拓?fù)洳蛔兞縼?lái)理解電子態(tài)中向前邁進(jìn)的 – 拓?fù)洳蛔兞炕旧鲜请娮硬ê瘮?shù)的幾何性質(zhì)。盡管人們對(duì)拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài)的興趣在日益擴(kuò)大，圍繞拓?fù)浣^緣體的興奮則主要是由于它們特定的金屬表面狀態(tài)的魯棒性，而且實(shí)現(xiàn)它們的要求也相對(duì)寬松：既不需要強(qiáng)電子-電子相互作用，也不需要低維度。此外，而且，似乎為了使這一觀點(diǎn)更加明確，這些發(fā)現(xiàn)幾乎與石墨烯中的一系列壯觀觀察同時(shí)發(fā)生，包括觀察到分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。這是一個(gè)由sp2電子組成的系統(tǒng) – 幾乎不是定義中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料- 但它顯示了拓?fù)湫虻臉?biāo)志，包括無(wú)耗輸運(yùn)和具有分?jǐn)?shù)電荷和統(tǒng)計(jì)的突現(xiàn)粒子。
隨著人們?cè)絹?lái)越清楚地認(rèn)識(shí)到，對(duì)突現(xiàn)性質(zhì)的研究不再局限于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系，因此需要一種新的，更寬泛的描述。在各院系網(wǎng)站和研究項(xiàng)目中，這個(gè)詞似乎正在流行，它就是“量子材料”。
看了以上的資料，相信我們就能夠?qū)α孔硬牧嫌袀€(gè)基本的了解了。大家也可以用類似的方法去深入學(xué)習(xí)某個(gè)領(lǐng)域，不至于被網(wǎng)絡(luò)的零散知識(shí)誤導(dǎo)。
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