量子材料是些什么东东？

  前不久和师兄弟们聚会聊天，有人提到了量子材料。量子材料已经热闹了好多年，但是国内网站上对量子材料的介绍却很难令人满意。比如像百度百科中有关量子材料介绍，主要内容其实都是关于量子点材料的，而当前人们所说的量子材料其实包含了量子点材料以外的许多新材料。比如高温超导体，拓扑绝缘体、拓扑半金属等许多材料都已经被归类到量子材料中了。但是量子材料有没有更全面或者说更靠谱的定义呢？

1.       量子材料的概念演化 -先从Web of Science 查查看

  今天（2019年2月25日星期一）在Web of Science 上检索主题为带冒号的“quantum materials”的论文，一共有293个结果。再加上单数的“quantum material”形式，检索主题: ("quantum materials") OR 主题: ("quantum material")共显示384条记录。这些结果对应的学科分布情况见图1.

图1： Web of Sciences检索主题: ("quantum materials") OR 主题: ("quantum material")得到共384篇论文的前十个学科的分布

   由图1可以看出，量子材料大体上按照物理、材料科学、工程、化学的次序，与这些学科都有关系。（从以下介绍就容易理解为什么量子材料与这些学科都有关系）。

  按照发表年度统计，可得到图2。

图2： Web of Sciences检索主题: ("quantum materials") OR 主题: ("quantum material")得到共384篇论文的按照出版年的统计

  从图2可以看出，2007年以前，每年发表的主题为"quantum materials"或主题"quantum material"有关论文不到3篇。1979年到2008年的30年里，总共发表文章数只有33篇。而在最近10年，主题为量子材料的出版物数量有非常快速的增长。在2015年一年内就发表论文30篇，2018年增长到了121篇。照现在的发展趋势估计，2019年会增加到接近200篇。

   这里需要说明的是：更多的论文虽然研究对象是量子材料，但因为在主题中没有写出来，就不会出现在以上检索结果中。比如2018年一年发表的主题为topological insulator 的论文就有2164篇，主题为topological materials 的论文为2,443篇，而主题为graphene的论文更是高达48,691篇。把属于量子材料的所有论文都统计在内的话，每年估计至少也有十万篇以上。

     在以上结果中，最早的一篇论文是1979年发表在SOLID STATE COMMUNICATIONS 上的一篇题为界面三声子过程和异常界面能量传输 （INTERFACIAL 3-PHONON PROCESSES AND ANOMALOUS INTERFACIAL ENERGY-TRANSPORT）的文章，其中的量子材料指的是液态或固态的氦、氢或氘（³He，⁴He，H₂，D₂）。上世纪90年代以来到本世纪前几年，量子材料为主题的论文研究对象主要是量子点材料。最近的十几年，量子材料得到了快速发展，一个重要的原因是人们发现了很多前所未有的新型量子材料和与这些材料相关联的新奇性质和物理效应，如石墨烯、铁基超导体、拓扑绝缘体、拓扑半金属等。研究这些材料不但有助于人们了解复杂体系的合作行为并发展出新的物理理论，而且可能用来解决人类当前面临的能源、信息、量子通讯和计算等方面的问题，推动下一次产业革命。

2.       维基百科中的量子材料条目

再来看看维基百科有关量子材料的条目https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_materials：

量子材料是凝聚态物理学中的一个宽泛的术语，它包含了具有强电子关联的材料和/或存在某种类型的电子序（超导，磁有序），或具有由不寻常的量子效应导致的电子特性的材料，如拓扑绝缘体，类似石墨烯的狄拉克电子体系，以及其集体性质受真正量子行为控制的系统，如超冷原子、冷激子、极化激元等。 量子材料研究中的一个共同线索是突现（emergence）的概念。

历史

     2012年，约瑟夫·奥伦斯坦在物理学杂志上发表了一篇关于“量子材料的超快光谱学”的文章。[Orenstein, Joseph (2012-08-31). "Ultrafast spectroscopy of quantum materials". Physics Today. 65 (9): 44–50.]他说：

      量子材料是一种标签，用来表示以前在凝聚态物理领域以前被称为强关联电子体系的领域。虽然这个领域很宽泛，但是一个统一的主题是发现和研究那些电子特性无法用当代凝聚态物理教科书的概念来理解的材料。

     作为一个范例，奥伦斯坦提到由于强关联导致的Landau Fermi液体理论的失效。术语“量子材料”的使用已经扩展并应用于其他系统，例如拓扑绝缘体和狄拉克电子材料。自“量子材料的兴起”一文于2016年在“自然物理学”上发表以来，该术语获得了更多的注意和应用。["The rise of quantum materials". Nature Physics. 12 (2): 105. 2016-02-01]

      虽然说在所有材料中都要受到量子力学的定律的支配，量子材料的说法可能被某些人认为过于宽泛，或只是为了引人注目。但如果看到了凝聚态物理的发展历史，就有充分的理由接受量子材料。从本质上讲，它们提供了一个共同的线索将研究物理、材料科学和工程领域的各种前沿问题的不同研究领域的人们联系在一起。

部分原文如下：

Quantum materials

From Wikipedia, the free encyclopedia

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.

3.  再看看npj- Quantum Materials 期刊的介绍

   我们也可以从Nature 子刊npj- Quantum Materials的介绍来了解量子材料。npj Quantum Materials是一本开放获取期刊，发表的论文极大促进了人们对量子材料的理解，包括其基本属性，制造和应用。该学术期刊是量子材料领域的专业学术期刊，它涵盖的应该是比较靠谱的属于量子材料的范围。

该期刊专门涵盖的研究领域包括：

超导电性和超导材料：非常规超导体、铜酸盐、铁基体系、重费米子超导体、其他新型超导体。

关联电子物理与材料：Mott绝缘体、关联电子体系中的磁性、巨磁电阻、多铁性和多铁材料、量子相变、关联电子体系中的理论和数值方法。

拓扑量子物理和材料：拓扑绝缘体和拓扑超导体、Dirac半金属和Weyl半金属、Majorana费米子、磁性拓扑绝缘体、新型拓扑量子态、拓扑异质结构和器件。

其他关联系统：重费米子、非费米液体、量子临界现象、量子霍尔效应和分数量子霍尔效应、人工量子结构中的相关性、玻色 - 爱因斯坦凝聚和超流体、超冷原子和相关系统。

   先进能源材料中的量子现象：光伏系统、光催化、电池和燃料电池、热电、其他先进的能源生产和储存。

4.  量子材料的兴起

  以下这部分内容摘译了发表于Nature Physics volume 12, page 105 (2016)的题为“The rise of quantum materials”的评论。

突现（emergence）现象在凝聚态物质中很常见。对这些现象的研究现在已经超越了强关联电子体系，从而产生了更广泛的量子材料概念。

根据发表的出版物产出数量来衡量，凝聚态物理是物理学中最大的领域。它的规模来源于它的广度：处在“凝聚”相中的系统的研究可以应用于几乎无限的问题，如磁性，超导性和超流性，在很多例子中暂且只提这三个。这里研究方法的基石是对称性破缺的概念，即凝聚相比未凝聚的对应物具有更低对称性的想法（例如，固体具有比气体更低的对称性）。首先理解这些现象的框架是Landau-Ginzburg相变理论：通过确定反映系统基本对称性的合适序参数（例如材料的密度，继续我们的固态示例），可以精确定出出现该对称性所需的条件。

因此，20世纪60年代和70年代凝聚态物理学的首要主题是不断寻求序（order）。拥有植根于对称性的美丽思想，这些概念事实上也渗透到凝聚态物质之外的物理，物理学家们都专注于找出适应于他们选择的研究体系的相关的、（更为关键的是）可测量的序参数。不可避免地，工作往往集中在最难破解的问题上 - 通常是那些没有可辨别的序参数的问题，或者，如果有的话，也以不同寻常的复杂程度为特征。

由于这些问题持续到20世纪80年代，出现了两个关键的发展。首先，认识到Landau-Ginzburg范式存在例外，例如作为分数量子霍尔效应基础的拓扑序。其次，高温超导的发现引起了对所谓的强关联电子体系的兴趣。当然，自Nevill Mott时代就已经知道了多体问题，但是许多问题或多或少与超导电性直接相关，例如重费米子，量子临界和赝能隙的物理特性，再加上科学家们可用到的计算能力的快速增长，带来了一个新的正面攻击这个问题的紧迫性，。

虽然超导机制仍然难以捉摸，但强关联电子体系的时代带来了许多重大发展。然而，其中最重要的可能不是严格意义上的科学发现。相反，它是一种观点的改变。对材料的非平凡或“奇异”电子特性的研究促进了对由强关联效应产生的各种突现现象 （无法从单个电子的特性预测的合作行为）的认识。这些包括诸如磁单极子（monopoles）和斯格明子（skyrmions）之类的突现激发，其描述在许多方面比产生它们的原始激发“真空”更简单。

对突现性质的这种体验恰好与拓扑绝缘体的实验发现相吻合，拓扑绝缘体是在用拓扑不变量来理解电子态中向前迈进的 - 拓扑不变量基本上是电子波函数的几何性质。尽管人们对拓扑保护态的兴趣在日益扩大，围绕拓扑绝缘体的兴奋则主要是由于它们特定的金属表面状态的鲁棒性，而且实现它们的要求也相对宽松：既不需要强电子-电子相互作用，也不需要低维度。此外，而且，似乎为了使这一观点更加明确，这些发现几乎与石墨烯中的一系列壮观观察同时发生，包括观察到分数量子霍尔效应。这是一个由sp²电子组成的系统 - 几乎不是定义中的强关联材料- 但它显示了拓扑序的标志，包括无耗输运和具有分数电荷和统计的突现粒子。

随着人们越来越清楚地认识到，对突现性质的研究不再局限于强关联电子体系，因此需要一种新的，更宽泛的描述。在各院系网站和研究项目中，这个词似乎正在流行，它就是“量子材料”。

  看了以上的资料，相信我们就能够对量子材料有个基本的了解了。写作时间比较仓促，肯定有错误的地方，欢迎各位批评指正。以后有时间我会挑选几类比较重要的量子材料做稍微详细的介绍。今天我就先写到这里，时间已经不早了，该回家吃晚饭了。