什么是量子材料?

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材料对人类的生活很重要,我们生活的时代一般是以材料来命名的,比如:石器时代,青铜时代,铁器时代,和现在的硅时代(信息时代)。

在进入信息时代之后,人类面临着一系列严峻的挑战,比如:能源问题。

信息的处理和存储都需要能量,随着计算速度和存储密度的日益提高,我们需要的能量也在以指数律增长,这意味着我们需要更加节约能量的信息处理和存储方式。

这是从信息的角度讲能源问题,如果你相信未来的世界是物联网(internet of things)的世界,你就会相信未来的能源很可能会主要消耗在信息的处理和存储的环节上,就好比人在安静的时候,大部分能量是消耗在大脑上的。

从技术的角度,量子材料(Quantum Materials)就是为了应对人类社会在后信息时代进一步发展所需要解决的问题。实际上大部分物理学家就工作在这个领域(凝聚态物理和材料科学),这是需求或投入驱动的研究。

量子材料的研究主要针对三个方面:能源问题(比如光伏),信息的处理(比如量子计算),和信息的存储(比如新的非易失存储)。

从科学研究的角度,凝聚态物理学(现代材料科学的基础)是在突破固体物理学(典型的是半导体物理和金属物理)范式的过程中发展起来的。

传统的固体物理是单电子近似,凝聚态物理学自80年代开始就研究强关联系统,即考虑材料中电子和电子之间的关联作用会带来哪些新的物性。典型的例子就是高温超导。

高温超导的研究在理论和实验两个方面都极大地推进了物理学家对强关联系统的认识,虽然高温超导机制问题仍然悬而未决,但经历过强关联系统研究的物理学家迅速地开辟了很多新的研究领域并取得了突破。

这是Tokura等发表在《自然·物理学》文章上的插图,显示了凝聚态物理学家研究的主题,从80年代的高温超导(强关联)和量子霍尔效应(量子拓扑),到现在的多铁,冷原子等,再到未来的拓扑电子学和量子计算等。

比如:多铁性材料(铁电和铁磁序共存),反常霍尔效应和自旋霍尔效应,拓扑绝缘体,冷原子,石墨烯等等。最初物理学家们还倾向于用强关联系统来命名这一系列新的有应用背景的研究,但很快他们发现,其中有些系统电子和电子之间的关联未必很强,比如石墨烯材料。

为了更准确地描述这些研究,物理学家开始自发地使用量子材料这一名词来统称这些领域,它们超越了早期的固体物理研究的方法(能带和单电子近似),使用了最近才发展起来的概念和方法,比如强关联和量子拓扑等。

目前已经有以量子材料命名的期刊,由著名的自然集团出版发行。

这个刊物是开放获取的,并且是与中国的南京大学合办的。


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