什麼是量子材料?

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材料對人類的生活很重要,我們生活的時代一般是以材料來命名的,比如:石器時代,青銅時代,鐵器時代,和現在的硅時代(信息時代)。

在進入信息時代之後,人類面臨著一系列嚴峻的挑戰,比如:能源問題。

信息的處理和存儲都需要能量,隨著計算速度和存儲密度的日益提高,我們需要的能量也在以指數律增長,這意味著我們需要更加節約能量的信息處理和存儲方式。

這是從信息的角度講能源問題,如果你相信未來的世界是物聯網(internet of things)的世界,你就會相信未來的能源很可能會主要消耗在信息的處理和存儲的環節上,就好比人在安靜的時候,大部分能量是消耗在大腦上的。

從技術的角度,量子材料(Quantum Materials)就是為了應對人類社會在後信息時代進一步發展所需要解決的問題。實際上大部分物理學家就工作在這個領域(凝聚態物理和材料科學),這是需求或投入驅動的研究。

量子材料的研究主要針對三個方面:能源問題(比如光伏),信息的處理(比如量子計算),和信息的存儲(比如新的非易失存儲)。

從科學研究的角度,凝聚態物理學(現代材料科學的基礎)是在突破固體物理學(典型的是半導體物理和金屬物理)範式的過程中發展起來的。

傳統的固體物理是單電子近似,凝聚態物理學自80年代開始就研究強關聯繫統,即考慮材料中電子和電子之間的關聯作用會帶來哪些新的物性。典型的例子就是高溫超導。

高溫超導的研究在理論和實驗兩個方面都極大地推進了物理學家對強關聯繫統的認識,雖然高溫超導機制問題仍然懸而未決,但經歷過強關聯繫統研究的物理學家迅速地開闢了很多新的研究領域並取得了突破。

這是Tokura等發表在《自然·物理學》文章上的插圖,顯示了凝聚態物理學家研究的主題,從80年代的高溫超導(強關聯)和量子霍爾效應(量子拓撲),到現在的多鐵,冷原子等,再到未來的拓撲電子學和量子計算等。

比如:多鐵性材料(鐵電和鐵磁序共存),反常霍爾效應和自旋霍爾效應,拓撲絕緣體,冷原子,石墨烯等等。最初物理學家們還傾向於用強關聯繫統來命名這一系列新的有應用背景的研究,但很快他們發現,其中有些系統電子和電子之間的關聯未必很強,比如石墨烯材料。

為了更準確地描述這些研究,物理學家開始自發地使用量子材料這一名詞來統稱這些領域,它們超越了早期的固體物理研究的方法(能帶和單電子近似),使用了最近才發展起來的概念和方法,比如強關聯和量子拓撲等。

目前已經有以量子材料命名的期刊,由著名的自然集團出版發行。

這個刊物是開放獲取的,並且是與中國的南京大學合辦的。


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