量子材料指的是由於其自身電子的量子力學特性而產生奇異物理特性的材料，如銅氧化物高溫超導體、鐵基超導體、石墨烯、拓撲絕緣體等。《自然-物理學》的文章《量子材料的興起》指出，隨著石墨烯和拓撲絕緣體的發現，量子材料的概念變得更寬廣，超越了原先的強關聯電子體系，許多政府部門的網站和研究計劃都已採用量子材料這一概念。

正如半導體的發現變革了計算和信息存儲，並迎來了目前達千億美元的電子產業，量子材料也具有變革能源和能源相關技術，以及數據的存儲和處理的潛力，並可能產生驚人的經濟效益。2016年12月，美國能源部（DOE）發佈了《用於能源相關技術的量子材料的基礎研究需求研討會》報告，確定了量子材料的4個優先研究方向，為更好地瞭解量子材料和利用其豐富的技術潛力奠定基礎。

該報告是美國能源部基礎能源科學辦公室（BES）於2016年2月8-10日舉行的“可用於能量相關技術的量子材料的基礎研究需求研討會”的總結，100多位領先的美國專家和國際專家參會。與會者被分成超導性、量子磁性、輸運和非平衡動力學、拓撲材料、異質結構量子材料，以及合成、探針和建模所需的“工具”等小組，討論了量子材料的各種基本問題及其對未來能源相關技術的潛在影響，確定了以下4個優先研究方向。

一、基礎研究：控制和利用電子相互作用和量子波動來設計具有新功能的塊體材料

這個研究方向旨在開展基礎研究來理解量子材料中基本的組織原理，以評估量子材料用於能源相關技術的效用和增強其潛在的功能。從潛在能源應用的角度來看，量子材料表現出的3個獨特的特徵是其對外部擾動、量子糾纏和超導性的大響應。對外部擾動的大響應可用於熱的轉換和管理混合裝置，或用作敏感檢測器的關鍵部件，如大功率電子開關中的有源部件或電子激活的光學部件等。對量子糾纏的大響應可用於計算和信息存儲中低能耗的新器件、未來的量子計算機中的組件以及未來的信息處理等。超導性的應用包括用於高級粒子加速器的射頻腔中的超導塗層、磁懸浮列車、大功率輸電線路、用於電網穩定的故障限流器和大功率互連，以及使用超導線圈來產生磁共振成像（MRI）所需的高磁場等。該方向有兩個研究重點：

1、瞭解和控制競爭、共存和糾纏的序。該研究重點與高溫超導體關聯密切，研究的主要問題包括理解金屬體系中量子臨界性的相關問題，探索奇怪金屬行為的物理起源，以及確定無序在穩定各種電子態中所起的作用。具體目標包括超越競爭序範式、向列電子相、強關聯體系中的反常電導性等。

2、預測、實現和探測量子磁體的各種新物態。該研究重點有3個不同的方向：①量子磁體的金屬化，可以探測原子價和Cooper對之間的聯繫，以確定能否在高溫下實現新的超導性形式。②量子磁體的不穩定性，通過破壞或弱化磁關聯來研究具有長程糾纏的新態的產生。③量子磁體的糾纏改良，應用對糾纏的理解的最新進展來表徵量子態併為新的研究和應用鋪平道路。

二、拓撲量子材料：利用拓撲態獲得開創性的表面特性

拓撲量子材料展現出一種新型的電子序，具有改進現有電子學和創造全新類型器件的巨大潛力。拓撲材料令科學家最感興趣和具有潛在效用的特性包括以下兩個：它們可以支持低能耗、可切換、大的電子錶面電流，以及它們具有與原始電子不同特性的分數“準粒子”。前者使得拓撲材料可以實現超導體的作用而不用保持低溫，也可以為克服計算設備的耗散和發熱提供一種新的方法。後者使得拓撲材料能用於打造拓撲量子計算機或神經形態計算機。該方向有兩個研究重點：

1、發現新的拓撲量子材料。主要研究內容包括：非相互作用的拓撲絕緣體和半金屬，拓撲超導體，相互作用的拓撲絕緣體，強關聯繫統中的拓撲相，三維繫統中的分數拓撲相，拓撲磁系統，魯棒的拓撲量子現象，異質結構拓撲量子材料，過渡金屬硫化物等。

2、設計新的平臺來探測和利用拓撲。主要研究內容包括：拓撲敏感探針，分數量子磁電效應，非阿貝爾統計和馬約拉納費米子，設計具有仲費米子（parafermion）和其他奇異激發的態，馬約拉納費米子對的奇偶校驗，拓撲自旋電子器件等。

三、利用量子效應：驅動和操縱納米結構中的量子效應（量子相干和量子糾纏）來獲得變革性技術

該研究方向旨在探索量子物質的輸運和非平衡特性以及由量子材料形成的異質結構和有限尺寸結構的性質。這項研究可導致新物態的發現，可在更大的長度和時間尺度上產生增強的相干性，可為設計新的量子現象鋪平道路。這項工作可以對能源技術產生長期的積極影響，包括：用於信息處理和節能計算的超快速和節能切換，超高密度磁存儲，操縱新量子技術的相干和糾纏等。該方向有3個研究重點：

1、使用納米結構來闡明和利用量子相干和量子糾纏。主要目標是開發和利用納米結構來控制量子材料系統的相關參數（包括量子波動、晶格對稱性、軌道極化、磁序或軌道序）及其相互作用，以便理解和形成新的物態。研究內容包括：調控量子材料中各個電子的特性，調控單個固體中的電子數，調控相互作用。

2、瞭解量子材料中的輸運。主要研究內容包括：自旋輸運與動力學：自旋電子學的科學，二維材料的輸運，自旋-軌道力矩，磁振子設計，自旋電子學中的反鐵磁體，自旋-超流體，斯格明子，谷電子學，莫爾條紋固體的輸運。

3、動態可視化和操縱量子材料。主要目標是利用量子相干和量子糾纏來檢驗、瞭解和控制量子材料。主要研究內容包括：驅動超快開關和相變，利用電子態的強場修整，操縱量子材料中的糾纏，為下一代泵浦/探針實驗創建實驗工具，提供理論理解和預測能力以增強量子材料的相干和糾纏。

四、變革性工具：設計變革性的工具來加速量子材料的發現和技術部署

量子材料的發現、生長和表徵受限於可用的物理工具。該研究方向旨在開發必要的工具來促進量子材料的合成、表徵和理論方法。主要挑戰包括建立合適的方法來生長和操縱具有期望純度的納米結構量子材料，控制從單個原子層到晶體的摻雜物和缺陷，以及基於這些新技術發現性能提高的材料。其他挑戰包括表徵量子材料並學習如何在與功能相關的所有長度和時間尺度上操縱它們的性質。這包括開發適當的工具以揭示量子材料新出現的序和拓撲序的形式，預測量子材料的基本性質，如它們新出現的序的傾向、遠離平衡的行為、處於無序狀況等。這些領域的進展將對材料、納米和能源科學產生廣泛的影響，因為傳統工具缺乏能滿足需求的分辨率、速度和精度。該方向有3個研究重點。

1、加強量子材料的合成。主要目標是獲得新的、更好的量子材料。主要研究內容包括：①新概念：建立複雜材料組裝的廣義規則。其目的是確定、理解和控制量子材料的亞穩態、動力學穩定和熱力學相的反應/合成/沉積/組裝路徑。研究內容包括塊體合成和晶體生長，薄膜和異質結構，二維材料和納米晶體。②新方法和新工具。研究內容包括：引導反應路徑的方法，包括獲取動力學捕獲的化合物；極端條件下的合成；耦合二維材料的組裝；定製的局部結構和組成，包括摻雜物，控制功能性缺陷嵌入物，異質結構塊體材料，低結構對稱材料等。③擴大探索性合成的範圍。基於新材料的合理目標的探索性合成將在可預見的未來繼續豐富量子材料的發現、演化和改進。

2、在量子材料中開發新窗口。主要研究內容包括：可視化、操縱和控制量子材料的實時量子顯微鏡；先進的光子、電子和中子探測器，如X射線探針、中子散射和角分辨光電子能譜（ARPES）；掃描探針成像；極端環境下的探針：高磁場；多模態、多功能和多維探針；大數據：更好的算法和數據共享方法。

3、為超過1個電子範式（1-Electron Paradigms）的靜態和動態狀態開發有效的方法。量子材料的理論工作對於理解實驗觀察、預測新現象以及建議生成何種新材料或材料組合是至關重要的。該研究主要目標是提高計算強關聯材料的重要性質的能力，著眼於未來改進和控制這些性質。主要研究內容包括：張量網絡，量子蒙特卡羅模擬：從哈密爾頓算子到衡量理論，模擬晶格規律理論，遠離平衡的量子材料的理論方法和概念。

The rise of quantum materials.

文章來源：國家高端智庫中國科學院《科技前沿快報》，2017年，第2期。

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