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量子材料指的是由于其自身电子的量子力学特性而产生奇异物理特性的材料，如铜氧化物高温超导体、铁基超导体、石墨烯、拓扑绝缘体等。《自然-物理学》的文章《量子材料的兴起》指出，随着石墨烯和拓扑绝缘体的发现，量子材料的概念变得更宽广，超越了原先的强关联电子体系，许多政府部门的网站和研究计划都已采用量子材料这一概念。 正如半导体的发现变革了计算和信息存储，并迎来了目前达千亿美元的电子产业，量子材料也具有变革能源和能源相关技术，以及数据的存储和处理的潜力，并可能产生惊人的经济效益。2016年12月，美国能源部（DOE）发布了《用于能源相关技术的量子材料的基础研究需求研讨会》报告，确定了量子材料的4个优先研究方向，为更好地了解量子材料和利用其丰富的技术潜力奠定基础。 该报告是美国能源部基础能源科学办公室（BES）于2016年2月8-10日举行的“可用于能量相关技术的量子材料的基础研究需求研讨会”的总结，100多位领先的美国专家和国际专家参会。与会者被分成超导性、量子磁性、输运和非平衡动力学、拓扑材料、异质结构量子材料，以及合成、探针和建模所需的“工具”等小组，讨论了量子材料的各种基本问题及其对未来能源相关技术的潜在影响，确定了以下4个优先研究方向。 一、基础研究：控制和利用电子相互作用和量子波动来设计具有新功能的块体材料 这个研究方向旨在开展基础研究来理解量子材料中基本的组织原理，以评估量子材料用于能源相关技术的效用和增强其潜在的功能。从潜在能源应用的角度来看，量子材料表现出的3个独特的特征是其对外部扰动、量子纠缠和超导性的大响应。对外部扰动的大响应可用于热的转换和管理混合装置，或用作敏感检测器的关键部件，如大功率电子开关中的有源部件或电子激活的光学部件等。对量子纠缠的大响应可用于计算和信息存储中低能耗的新器件、未来的量子计算机中的组件以及未来的信息处理等。超导性的应用包括用于高级粒子加速器的射频腔中的超导涂层、磁悬浮列车、大功率输电线路、用于电网稳定的故障限流器和大功率互连，以及使用超导线圈来产生磁共振成像（MRI）所需的高磁场等。该方向有两个研究重点： 1、了解和控制竞争、共存和纠缠的序。该研究重点与高温超导体关联密切，研究的主要问题包括理解金属体系中量子临界性的相关问题，探索奇怪金属行为的物理起源，以及确定无序在稳定各种电子态中所起的作用。具体目标包括超越竞争序范式、向列电子相、强关联体系中的反常电导性等。 2、预测、实现和探测量子磁体的各种新物态。该研究重点有3个不同的方向：①量子磁体的金属化，可以探测原子价和Cooper对之间的联系，以确定能否在高温下实现新的超导性形式。②量子磁体的不稳定性，通过破坏或弱化磁关联来研究具有长程纠缠的新态的产生。③量子磁体的纠缠改良，应用对纠缠的理解的最新进展来表征量子态并为新的研究和应用铺平道路。 二、拓扑量子材料：利用拓扑态获得开创性的表面特性 拓扑量子材料展现出一种新型的电子序，具有改进现有电子学和创造全新类型器件的巨大潜力。拓扑材料令科学家最感兴趣和具有潜在效用的特性包括以下两个：它们可以支持低能耗、可切换、大的电子表面电流，以及它们具有与原始电子不同特性的分数“准粒子”。前者使得拓扑材料可以实现超导体的作用而不用保持低温，也可以为克服计算设备的耗散和发热提供一种新的方法。后者使得拓扑材料能用于打造拓扑量子计算机或神经形态计算机。该方向有两个研究重点： 1、发现新的拓扑量子材料。主要研究内容包括：非相互作用的拓扑绝缘体和半金属，拓扑超导体，相互作用的拓扑绝缘体，强关联系统中的拓扑相，三维系统中的分数拓扑相，拓扑磁系统，鲁棒的拓扑量子现象，异质结构拓扑量子材料，过渡金属硫化物等。 2、设计新的平台来探测和利用拓扑。主要研究内容包括：拓扑敏感探针，分数量子磁电效应，非阿贝尔统计和马约拉纳费米子，设计具有仲费米子（parafermion）和其他奇异激发的态，马约拉纳费米子对的奇偶校验，拓扑自旋电子器件等。 三、利用量子效应：驱动和操纵纳米结构中的量子效应（量子相干和量子纠缠）来获得变革性技术 该研究方向旨在探索量子物质的输运和非平衡特性以及由量子材料形成的异质结构和有限尺寸结构的性质。这项研究可导致新物态的发现，可在更大的长度和时间尺度上产生增强的相干性，可为设计新的量子现象铺平道路。这项工作可以对能源技术产生长期的积极影响，包括：用于信息处理和节能计算的超快速和节能切换，超高密度磁存储，操纵新量子技术的相干和纠缠等。该方向有3个研究重点： 1、使用纳米结构来阐明和利用量子相干和量子纠缠。主要目标是开发和利用纳米结构来控制量子材料系统的相关参数（包括量子波动、晶格对称性、轨道极化、磁序或轨道序）及其相互作用，以便理解和形成新的物态。研究内容包括：调控量子材料中各个电子的特性，调控单个固体中的电子数，调控相互作用。 2、了解量子材料中的输运。主要研究内容包括：自旋输运与动力学：自旋电子学的科学，二维材料的输运，自旋-轨道力矩，磁振子设计，自旋电子学中的反铁磁体，自旋-超流体，斯格明子，谷电子学，莫尔条纹固体的输运。 3、动态可视化和操纵量子材料。主要目标是利用量子相干和量子纠缠来检验、了解和控制量子材料。主要研究内容包括：驱动超快开关和相变，利用电子态的强场修整，操纵量子材料中的纠缠，为下一代泵浦/探针实验创建实验工具，提供理论理解和预测能力以增强量子材料的相干和纠缠。 四、变革性工具：设计变革性的工具来加速量子材料的发现和技术部署 量子材料的发现、生长和表征受限于可用的物理工具。该研究方向旨在开发必要的工具来促进量子材料的合成、表征和理论方法。主要挑战包括建立合适的方法来生长和操纵具有期望纯度的纳米结构量子材料，控制从单个原子层到晶体的掺杂物和缺陷，以及基于这些新技术发现性能提高的材料。其他挑战包括表征量子材料并学习如何在与功能相关的所有长度和时间尺度上操纵它们的性质。这包括开发适当的工具以揭示量子材料新出现的序和拓扑序的形式，预测量子材料的基本性质，如它们新出现的序的倾向、远离平衡的行为、处于无序状况等。这些领域的进展将对材料、纳米和能源科学产生广泛的影响，因为传统工具缺乏能满足需求的分辨率、速度和精度。该方向有3个研究重点。 1、加强量子材料的合成。主要目标是获得新的、更好的量子材料。主要研究内容包括：①新概念：建立复杂材料组装的广义规则。其目的是确定、理解和控制量子材料的亚稳态、动力学稳定和热力学相的反应/合成/沉积/组装路径。研究内容包括块体合成和晶体生长，薄膜和异质结构，二维材料和纳米晶体。②新方法和新工具。研究内容包括：引导反应路径的方法，包括获取动力学捕获的化合物；极端条件下的合成；耦合二维材料的组装；定制的局部结构和组成，包括掺杂物，控制功能性缺陷嵌入物，异质结构块体材料，低结构对称材料等。③扩大探索性合成的范围。基于新材料的合理目标的探索性合成将在可预见的未来继续丰富量子材料的发现、演化和改进。 2、在量子材料中开发新窗口。主要研究内容包括：可视化、操纵和控制量子材料的实时量子显微镜；先进的光子、电子和中子探测器，如X射线探针、中子散射和角分辨光电子能谱（ARPES）；扫描探针成像；极端环境下的探针：高磁场；多模态、多功能和多维探针；大数据：更好的算法和数据共享方法。 3、为超过1个电子范式（1-Electron Paradigms）的静态和动态状态开发有效的方法。量子材料的理论工作对于理解实验观察、预测新现象以及建议生成何种新材料或材料组合是至关重要的。该研究主要目标是提高计算强关联材料的重要性质的能力，着眼于未来改进和控制这些性质。主要研究内容包括：张量网络，量子蒙特卡罗模拟：从哈密尔顿算子到衡量理论，模拟晶格规律理论，远离平衡的量子材料的理论方法和概念。 The rise of quantum materials. 文章来源：国家高端智库中国科学院《科技前沿快报》，2017年，第2期。 图片来自网络 |
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