最高樓@寄華夏三月

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君不見(jiàn)，萬(wàn)水繞蕭天，墨彩落塵寰。

旭芒乘露施新暖，月華藏雪拂殘寒。

怎閑愁，窗外錦，總難言。

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道不盡，風(fēng)高疏爛漫。

看不透，雨濃遮望眼。

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茍幽壑、喜嵩巒。

霞流麓藪晴將好，霧行蒼莽滃當(dāng)歡。

勿爭(zhēng)春，重戒路，事人間。

中國(guó)科技大學(xué)陳仙輝老師曾經(jīng)詰問(wèn)筆者：”什么是量子材料？如何定義？感覺(jué)什么都冠一個(gè)量子，就高大上了，就如幾年前的納米”。這一問(wèn)題非常好，將這一問(wèn)題作業(yè)作為本公眾號(hào)(微信號(hào)QuantumMaterials)之開(kāi)篇，當(dāng)屬必要而合理。

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筆者以為，量子材料的標(biāo)準(zhǔn)定義可能還是一部未完待續(xù)的電視連續(xù)劇，責(zé)難的讀者有之、贊同的讀者有之、更多的讀者將會(huì)給出好的建議與批評(píng)。如此這般，將肯定是一個(gè)好的開(kāi)端。正如本文開(kāi)首之“最高樓”所抒懷：道不盡，風(fēng)高疏爛漫；看不透，雨濃遮望眼；卻總是通過(guò)努力為量子材料這一領(lǐng)域添磚加瓦的：勿爭(zhēng)春，重戒路，事人間。

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量子材料作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)概念其實(shí)誕生得很晚。2012年知名凝聚態(tài)物理學(xué)者Joseph Orenstein在Physics Today上發(fā)表過(guò)一篇文章，文章題目是：Ultrafast spectroscopy of quantum materials (Physics Today, doi:10.1063/PT.3.1717)。雖未仔細(xì)考證，這篇文章可能算是最早正式提出這一概念并嘗試給出一個(gè)定義：

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量子材料作為一個(gè)標(biāo)簽，為凝聚態(tài)物理之重要前沿領(lǐng)域“強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)”提供了另一種定義。本領(lǐng)域所涉廣泛，但其核心目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)與探索那些電子性質(zhì)用傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理教科書(shū)框架難以闡明的材料體系。Quantum materials is a label that has come to signify the area of condensed-matter physics formerly known as strongly correlated electronic systems. Although the field is broad, a unifying theme is the discovery and investigation of materials whose electronic properties cannot be understood with concepts from contemporary condensed-matter textbooks.

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由Nature出版集團(tuán)與南京大學(xué)及2011人工微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心合作出版發(fā)行的學(xué)術(shù)刊物《npj Quantum Materials》籌備期是2015年下半年，與Orenstein提出這一名詞相距不過(guò)三年時(shí)間。那時(shí)，我們廣泛征詢(xún)和討論的刊名是《Correlated Electron Systems》，Nature出版集團(tuán)也要求我們用這一刊名。陸延青教授、王楓秋教授和我三人代表2011人工微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心造訪(fǎng)上海Nature出版集團(tuán)辦事處，與Nature團(tuán)隊(duì)協(xié)商刊物籌備。在Nature出版集團(tuán)辦事處辦公室會(huì)談時(shí)，我們提出使用這一名稱(chēng)，并被否決。當(dāng)時(shí)我們對(duì)這一定義內(nèi)涵還不明就里?；氐侥暇┖笤僭诖蠓秶鷥?nèi)研討斟酌，才慢慢理清其內(nèi)涵。經(jīng)過(guò)多番爭(zhēng)取，獲得Nature出版集團(tuán)首肯使用這一名稱(chēng)。

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維基百科上現(xiàn)在已經(jīng)有正式的定義：

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量子材料覆蓋凝聚態(tài)物理之一大寬廣領(lǐng)域，以將一大類(lèi)材料歸于其麾下。這類(lèi)材料具有一定的量子關(guān)聯(lián)特征，或者具有特定的量子序，包括超導(dǎo)電性、磁序/鐵性序。那些電子性質(zhì)呈現(xiàn)“反常”量子效應(yīng)的材料也當(dāng)屬此類(lèi)，例如拓?fù)浣^緣體、狄拉克電子系統(tǒng)。那些集體行為呈現(xiàn)量子特征的系統(tǒng)如超冷原子、冷激子、極化子等等體系也可歸于此類(lèi)。毫無(wú)疑問(wèn)，衍生概念是量子材料研究的共同特征。Quantum materials is a broad term in condensed matter physics, to put under the same umbrella, materials that present strong electronic correlations and/or some type of electronic order (superconducting, magnetic order), or materials whose electronic properties are linked to non-generic quantum effects, such as topological insulators, Dirac electron systems such as graphene, as well as systems whose collective properties are governed by genuinely quantum behavior, such as ultra-cold atoms, cold excitons, polaritons, and so forth. A common thread in the study of quantum materials is the concept of emergence.

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2016年，《Nature Physics》發(fā)表了一篇編輯評(píng)論文章(editorial)：“The rise of quantum materials”(Nature Phys. 12, 105 (2016))，其中明確提出：Emergent phenomena are common in condensed matter. Their study now extends beyond strongly correlated electron systems, giving rise to the broader concept of quantum materials. 隨后，Y. Tokura等在2017年于《Nature Physics》上發(fā)表熱點(diǎn)綜述文章：“Emergent functions of quantum materials”(Nature Phys. 13, 1056 (2017))，其中總結(jié)了量子材料研究發(fā)展歷程及所展現(xiàn)的一系列新穎現(xiàn)象，示于圖1。

圖1. 量子材料研究的發(fā)展歷程與衍生物理效應(yīng)(Y. Tokura et al, Nature Phys. 13, 1056 (2017))。

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凝聚態(tài)物理的骨灰級(jí)人物菲利普-安德森(Philip Warren Anderson)應(yīng)該是量子材料的重要推手之一。1980年代的高溫超導(dǎo)和龐磁電阻材料、1990年代的重費(fèi)米子體系、2000年代的多鐵性材料、最近的拓?fù)淞孔游镔|(zhì)等是量子材料的典型代表。由此，若干能源材料如許多熱電化合物、光能源關(guān)注的關(guān)聯(lián)化合物等也是量子材料不可或缺的研究對(duì)象。

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可以看到，上述定義與《npj Quantum Materials》刊物的scope非常切合，顯示出刊物定位和發(fā)展目標(biāo)較為精準(zhǔn)，我們對(duì)相關(guān)問(wèn)題的理解已經(jīng)及格(60分)。實(shí)際上，過(guò)去兩年，我們?cè)趪?guó)際學(xué)術(shù)交流的不同場(chǎng)合與量子凝聚態(tài)和材料的各路神仙討論過(guò)這一主題內(nèi)涵，并咨詢(xún)那些帶有“quantum materials”的研究機(jī)構(gòu)。我們覺(jué)得上述定義是合適的。當(dāng)然，筆者個(gè)人認(rèn)為所有基于固體電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性和量子自由度與各種序參量耦合的效應(yīng)都屬于量子材料的范疇。我也相信，這一內(nèi)涵會(huì)繼續(xù)有效，但外延應(yīng)該會(huì)有所擴(kuò)展。目前的狀態(tài)與“納米”的發(fā)展脈絡(luò)顯然有所不同。圖2所示為量子材料研究對(duì)象的一種羅列方式，展示了各個(gè)topics之間強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)特征。

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圖2. 量子材料所關(guān)注的研究對(duì)象，展示了各個(gè)topics之間強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)特征