什么是量子材料

最高楼@寄华夏三月

君不见，万水绕萧天，墨彩落尘寰。

旭芒乘露施新暖，月华藏雪拂残寒。

怎闲愁，窗外锦，总难言。

道不尽，风高疏烂漫。

看不透，雨浓遮望眼。

苟幽壑、喜嵩峦。

霞流麓薮晴将好，雾行苍莽滃当欢。

勿争春，重戒路，事人间。

中国科技大学陈仙辉老师曾经诘问笔者：”什么是量子材料？如何定义？感觉什么都冠一个量子，就高大上了，就如几年前的纳米”。这一问题非常好，将这一问题作业作为本公众号(微信号QuantumMaterials)之开篇，当属必要而合理。

笔者以为，量子材料的标准定义可能还是一部未完待续的电视连续剧，责难的读者有之、赞同的读者有之、更多的读者将会给出好的建议与批评。如此这般，将肯定是一个好的开端。正如本文开首之“最高楼”所抒怀：道不尽，风高疏烂漫；看不透，雨浓遮望眼；却总是通过努力为量子材料这一领域添砖加瓦的：勿争春，重戒路，事人间。

量子材料作为一个标准概念其实诞生得很晚。2012年知名凝聚态物理学者Joseph Orenstein在Physics Today上发表过一篇文章，文章题目是：Ultrafast spectroscopy of quantum materials (Physics Today, doi:10.1063/PT.3.1717)。虽未仔细考证，这篇文章可能算是最早正式提出这一概念并尝试给出一个定义：

量子材料作为一个标签，为凝聚态物理之重要前沿领域“强关联量子系统”提供了另一种定义。本领域所涉广泛，但其核心目标是发现与探索那些电子性质用传统的凝聚态物理教科书框架难以阐明的材料体系。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.

由Nature出版集团与南京大学及2011人工微结构协同创新中心合作出版发行的学术刊物《npj Quantum Materials》筹备期是2015年下半年，与Orenstein提出这一名词相距不过三年时间。那时，我们广泛征询和讨论的刊名是《Correlated Electron Systems》，Nature出版集团也要求我们用这一刊名。陆延青教授、王枫秋教授和我三人代表2011人工微结构协同创新中心造访上海Nature出版集团办事处，与Nature团队协商刊物筹备。在Nature出版集团办事处办公室会谈时，我们提出使用这一名称，并被否决。当时我们对这一定义内涵还不明就里。回到南京后再在大范围内研讨斟酌，才慢慢理清其内涵。经过多番争取，获得Nature出版集团首肯使用这一名称。

维基百科上现在已经有正式的定义：

量子材料覆盖凝聚态物理之一大宽广领域，以将一大类材料归于其麾下。这类材料具有一定的量子关联特征，或者具有特定的量子序，包括超导电性、磁序/铁性序。那些电子性质呈现“反常”量子效应的材料也当属此类，例如拓扑绝缘体、狄拉克电子系统。那些集体行为呈现量子特征的系统如超冷原子、冷激子、极化子等等体系也可归于此类。毫无疑问，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.

2016年，《Nature Physics》发表了一篇编辑评论文章(editorial)：“The rise of quantum materials”(Nature Phys. 12, 105 (2016))，其中明确提出：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. 随后，Y. Tokura等在2017年于《Nature Physics》上发表热点综述文章：“Emergent functions of quantum materials”(Nature Phys. 13, 1056 (2017))，其中总结了量子材料研究发展历程及所展现的一系列新颖现象，示于图1。

图1. 量子材料研究的发展历程与衍生物理效应(Y. Tokura et al, Nature Phys. 13, 1056 (2017))。

凝聚态物理的骨灰级人物菲利普-安德森(Philip Warren Anderson)应该是量子材料的重要推手之一。1980年代的高温超导和庞磁电阻材料、1990年代的重费米子体系、2000年代的多铁性材料、最近的拓扑量子物质等是量子材料的典型代表。由此，若干能源材料如许多热电化合物、光能源关注的关联化合物等也是量子材料不可或缺的研究对象。

可以看到，上述定义与《npj Quantum Materials》刊物的scope非常切合，显示出刊物定位和发展目标较为精准，我们对相关问题的理解已经及格(60分)。实际上，过去两年，我们在国际学术交流的不同场合与量子凝聚态和材料的各路神仙讨论过这一主题内涵，并咨询那些带有“quantum materials”的研究机构。我们觉得上述定义是合适的。当然，笔者个人认为所有基于固体电子结构的相关性和量子自由度与各种序参量耦合的效应都属于量子材料的范畴。我也相信，这一内涵会继续有效，但外延应该会有所扩展。目前的状态与“纳米”的发展脉络显然有所不同。图2所示为量子材料研究对象的一种罗列方式，展示了各个topics之间强烈的关联特征。

图2. 量子材料所关注的研究对象，展示了各个topics之间强烈的关联特征