量子材料是量子科技的核心物質(zhì)載體，支撐量子計(jì)算、通信與能源變革，是國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵所在。3月15日，墨子沙龍邀請(qǐng)到了長(zhǎng)期深耕量子材料研究領(lǐng)域的專家王亞愚教授，帶來(lái)名為《神奇的量子材料：從高溫超導(dǎo)到量子霍爾效應(yīng)》的科普?qǐng)?bào)告。

王亞愚是清華大學(xué)學(xué)科辦主任，曾任低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、物理系主任、理學(xué)院院長(zhǎng)，主要從事凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)研究，在量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)及拓?fù)湎到y(tǒng)量子輸運(yùn)、高溫超導(dǎo)體微觀電子結(jié)構(gòu)等方向取得系統(tǒng)性原創(chuàng)成果，榮獲麥克米蘭獎(jiǎng)、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)黃昆物理獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等重要榮譽(yù)。本文根據(jù)講座內(nèi)容整理而成。

量子力學(xué)革命

今年是一個(gè)在科學(xué)史上極具紀(jì)念意義的特殊年份——2025年被聯(lián)合國(guó)教科文組織正式確立為“國(guó)際量子科學(xué)與技術(shù)年”。

之所以將這一年賦予如此重要的定位，核心原因在于，整整一個(gè)世紀(jì)之前的1925年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡與奧地利物理學(xué)家薛定諤分別以矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)兩種截然不同的形式，共同創(chuàng)立了完整的量子力學(xué)理論體系，為現(xiàn)代物理學(xué)奠定了最為關(guān)鍵的一塊基石。

量子科學(xué)的起源，要追溯到19世紀(jì)與20世紀(jì)之交的物理學(xué)時(shí)代。當(dāng)時(shí)，以牛頓力學(xué)為核心的經(jīng)典物理學(xué)大廈已經(jīng)構(gòu)建得近乎完美，大到天體運(yùn)行，小到物體運(yùn)動(dòng)，經(jīng)典物理似乎都能給出精準(zhǔn)而完備的解釋。

1900年，著名物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵在一場(chǎng)面向全球物理學(xué)界的演講中，曾滿懷信心地宣告：經(jīng)典物理學(xué)的宏偉建筑已然落成，后輩物理學(xué)家只需做一些修修補(bǔ)補(bǔ)的完善工作即可。但在物理學(xué)晴朗的天空中，還飄著兩朵令人不安的“烏云”，這兩朵烏云分別是“以太假說(shuō)的失效”與“黑體輻射現(xiàn)象無(wú)法被經(jīng)典理論解釋”。

同年，德國(guó)理論物理學(xué)家馬克斯·普朗克在反復(fù)研究后，大膽突破經(jīng)典物理的束縛，首次提出了“量子化假說(shuō)”。他指出，黑體輻射所釋放的能量，并非像經(jīng)典物理所認(rèn)為的那樣可以連續(xù)無(wú)限分割、取任意小的數(shù)值，而是以一份一份、不連續(xù)的形式存在，每一份最小的能量單元，就是“量子”。“量子”一詞源自拉丁語(yǔ)“quantus”，本意即為“一定的數(shù)量”，這也是人類科學(xué)史上第一次正式提出量子的概念。

1905年，愛(ài)因斯坦將量子化思想應(yīng)用于光電效應(yīng)的解釋，提出光量子假說(shuō)，完美解決了經(jīng)典物理無(wú)法解釋的光電效應(yīng)難題，并因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，同時(shí)揭示了光同時(shí)具有波動(dòng)性與粒子性的“波粒二象性”。

這一階段的量子理論，被科學(xué)界稱為“舊量子論”。它以假說(shuō)為核心，能夠解釋部分微觀物理現(xiàn)象，但尚未形成完整、自洽的理論體系。

真正意義上的量子力學(xué)革命，發(fā)生在1925年。這一年，海森堡因嚴(yán)重的花粉過(guò)敏，前往無(wú)植被、無(wú)花粉的黑爾戈蘭島休養(yǎng)，在這段遠(yuǎn)離干擾的時(shí)間里，他徹底理清了困擾多年的微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，創(chuàng)立了矩陣力學(xué)，連續(xù)發(fā)表三篇里程碑式論文，標(biāo)志著新量子力學(xué)正式誕生。1926年，薛定諤受波粒二象性思想啟發(fā)，提出了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波動(dòng)力學(xué)方程，即著名的薛定諤方程。矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)在數(shù)學(xué)上完全等價(jià)，共同構(gòu)建起量子力學(xué)的完整理論大廈。

為了讓大眾直觀理解量子理論中最反直覺(jué)的“量子疊加態(tài)”，薛定諤提出了科學(xué)史上最著名的思想實(shí)驗(yàn)之一——“薛定諤的貓”。他設(shè)想將一只貓關(guān)在裝有放射性元素與劇毒氰化物的密閉盒子里，放射性元素的衰變是隨機(jī)的量子過(guò)程，衰變發(fā)生則貓死亡，未衰變則貓存活。按照量子疊加原理，在未打開(kāi)盒子觀測(cè)前，貓?zhí)幱凇凹人烙只睢钡寞B加狀態(tài)，而非確定的死或活。

量子力學(xué)的顛覆性，讓它從誕生起就伴隨著持續(xù)百年的科學(xué)爭(zhēng)論。其中最著名的，便是愛(ài)因斯坦與玻爾之間的世紀(jì)論戰(zhàn)。而量子材料，作為量子科技從理論走向應(yīng)用的關(guān)鍵物質(zhì)載體，成為了當(dāng)代凝聚態(tài)物理最前沿、最具活力的研究方向之一。

量子材料

量子計(jì)算機(jī)需要高性能的量子比特材料，量子通信需要低損耗的量子傳輸材料，精密測(cè)量需要高靈敏度的傳感材料，這些能夠清晰、穩(wěn)定呈現(xiàn)量子力學(xué)特性的特殊材料，被統(tǒng)稱為“量子材料”。

日常生活中，根據(jù)物質(zhì)的導(dǎo)電能力，將材料分為三大類：完全不導(dǎo)電的“絕緣體”、導(dǎo)電能力強(qiáng)的“導(dǎo)體”、導(dǎo)電能力介于兩者之間且可調(diào)控的“半導(dǎo)體”。導(dǎo)體能夠?qū)щ姷谋举|(zhì)，是其內(nèi)部存在大量自由電子。在經(jīng)典導(dǎo)電過(guò)程中，自由電子并非毫無(wú)阻礙地運(yùn)動(dòng)，它們會(huì)與晶格的熱振動(dòng)、材料內(nèi)部的雜質(zhì)、缺陷發(fā)生頻繁碰撞，這種碰撞會(huì)阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，形成“電阻。于是科學(xué)家提出一個(gè)極致的科學(xué)問(wèn)題：“是否存在一種完全沒(méi)有電阻、電子可以無(wú)阻礙運(yùn)動(dòng)的理想導(dǎo)電材料？”

這個(gè)在經(jīng)典物理看來(lái)近乎天方夜譚的目標(biāo)，在量子世界中不僅真實(shí)存在，而且成為了改變未來(lái)科技的核心方向——這就是“超導(dǎo)體”。

1908年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂納斯在萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，首次成功將氦氣液化，獲得了僅比絕對(duì)零度高幾開(kāi)爾文的極低溫條件。昂納斯獲得液氦后，開(kāi)始將各種材料放入極低溫環(huán)境中測(cè)試導(dǎo)電特性。他選擇了常溫下為液態(tài)的金屬汞（水銀）作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，當(dāng)溫度降至零下200多攝氏度時(shí)，奇跡發(fā)生了：汞的電阻值突然從一個(gè)有限的數(shù)值瞬間降至零。昂納斯將這種零電阻的全新物質(zhì)狀態(tài)命名為“超導(dǎo)態(tài)”，具備這種特性的材料就是“超導(dǎo)體”。

超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后的四十余年里，愛(ài)因斯坦、海森堡、費(fèi)曼等無(wú)數(shù)物理學(xué)巨匠都試圖破解超導(dǎo)的微觀機(jī)理，但始終未能成功。當(dāng)時(shí)甚至流傳著一條“超導(dǎo)研究第一定理”：“任何關(guān)于超導(dǎo)的理論都是錯(cuò)誤的”，足見(jiàn)這一問(wèn)題的難度之高。

直到1957年，美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀、施里弗聯(lián)合提出了“BCS理論”，三人也因此榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。BCS理論完美解釋了超導(dǎo)零電阻的本質(zhì)：金屬中帶負(fù)電的電子，本應(yīng)因同性電荷相互排斥，但它們可以通過(guò)“帶正電的晶格離子”作為中介，產(chǎn)生間接的吸引作用，兩個(gè)電子相互配對(duì)形成“庫(kù)珀對(duì)”。單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶格、雜質(zhì)的散射，產(chǎn)生電阻；而大量庫(kù)珀對(duì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)形成一種宏觀量子相干態(tài)，不再受到散射阻礙，從而實(shí)現(xiàn)零電阻導(dǎo)電。

盡管BCS理論成功解釋了傳統(tǒng)超導(dǎo)的機(jī)理，但它存在一個(gè)致命局限：該理論所描述的超導(dǎo)配對(duì)作用極其微弱，只有在極低溫環(huán)境下才能維持，一旦溫度升高，庫(kù)珀對(duì)就會(huì)被熱運(yùn)動(dòng)破壞，超導(dǎo)態(tài)隨之消失。這意味著，傳統(tǒng)超導(dǎo)體的應(yīng)用必須依賴昂貴的液氦制冷，成本極高、場(chǎng)景受限，無(wú)法大規(guī)模普及。因此，尋找“高溫超導(dǎo)體”，甚至“室溫超導(dǎo)體”，成為了全球物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的終極目標(biāo)。

1987年，華裔科學(xué)家吳茂坤、朱經(jīng)武與中國(guó)科學(xué)家趙忠賢院士團(tuán)隊(duì)，分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了“釔鋇銅氧”體系超導(dǎo)體，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度突破77開(kāi)爾文，首次進(jìn)入“液氮溫區(qū)”。同年年3月，美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，全球物理學(xué)家為這一重大發(fā)現(xiàn)徹夜研討，這場(chǎng)持續(xù)八小時(shí)的學(xué)術(shù)會(huì)議，被稱為“物理學(xué)界的伍德斯托克音樂(lè)節(jié)”！

然而，一個(gè)新的科學(xué)難題隨之而來(lái)：傳統(tǒng)BCS理論無(wú)法解釋高溫超導(dǎo)的機(jī)理。目前科學(xué)界最具潛力的假說(shuō)認(rèn)為，高溫超導(dǎo)的電子配對(duì)與“電子自旋”密切相關(guān)。但這一假說(shuō)尚未得到最終證實(shí)，“高溫超導(dǎo)微觀機(jī)理”至今仍是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最核心、最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題，等待著新一代科學(xué)家去破解。

量子霍爾效應(yīng)

在量子材料的研究版圖中，量子霍爾效應(yīng)是另一個(gè)誕生了多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的重大領(lǐng)域。

量子霍爾效應(yīng)的起源，要追溯到經(jīng)典的霍爾效應(yīng)。1878年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的電磁現(xiàn)象：將通電的導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)部的電子會(huì)在磁場(chǎng)洛倫茲力的作用下發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體兩側(cè)積累電荷，形成橫向電壓與橫向電阻，這一現(xiàn)象被命名為“霍爾效應(yīng)”。經(jīng)典霍爾效應(yīng)的核心規(guī)律是，橫向電阻與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電子偏轉(zhuǎn)越明顯，霍爾電阻越大。

1879年，霍爾在實(shí)驗(yàn)中又有了新的發(fā)現(xiàn)：在鐵、鈷、鎳等鐵磁材料中，即便不施加外部磁場(chǎng)，也能觀測(cè)到明顯的霍爾效應(yīng)。這是因?yàn)殍F磁材料自身具有自發(fā)磁化強(qiáng)度，材料內(nèi)部的磁場(chǎng)足以讓電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種零磁場(chǎng)下的霍爾效應(yīng)被稱為“反常霍爾效應(yīng)”。

經(jīng)典霍爾效應(yīng)與反常霍爾效應(yīng)都屬于經(jīng)典物理范疇，電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律仍受經(jīng)典電磁學(xué)支配。直到1980年，德國(guó)物理學(xué)家克勞斯·馮·克利青在極強(qiáng)磁場(chǎng)、極低溫條件下，觀測(cè)到了完全顛覆經(jīng)典認(rèn)知的“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”。這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了人類對(duì)電子輸運(yùn)的認(rèn)知，克利青也因此獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1982年，華裔科學(xué)家崔琦與同事在更純凈的樣品、更低的溫度、更強(qiáng)的磁場(chǎng)條件下，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”——霍爾電阻平臺(tái)不僅出現(xiàn)在整數(shù)倍，還出現(xiàn)在1/3、2/3等分?jǐn)?shù)倍處。這一發(fā)現(xiàn)揭示了電子之間強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用的全新量子態(tài)，崔琦等人也榮獲1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

接著，物理學(xué)界更近一步提出了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題：“能否在零外部磁場(chǎng)的條件下，實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)？”這一問(wèn)題的答案，就是“量子反常霍爾效應(yīng)”。

量子反常霍爾效應(yīng)

早在1988年，英國(guó)物理學(xué)家霍爾丹就從理論上提出了零磁場(chǎng)量子霍爾效應(yīng)的模型，但這一理論過(guò)于抽象，長(zhǎng)期未能在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。2008年，華裔物理學(xué)家張首晟院士聯(lián)合中科院物理所方忠、戴希研究員等科學(xué)家，提出了“磁性拓?fù)浣^緣體”的理論路線，明確指出：只有同時(shí)滿足“鐵磁性、拓?fù)湫浴⒔^緣性”三大嚴(yán)苛條件的材料，才能實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。

這三大條件看似簡(jiǎn)單，實(shí)則相互矛盾、實(shí)現(xiàn)難度極高：鐵磁性材料大多是金屬導(dǎo)體，難以實(shí)現(xiàn)絕緣；而拓?fù)浣^緣體的拓?fù)涮匦裕秩菀妆昏F磁性破壞。用一個(gè)通俗的比喻，尋找這種材料就如同尋找一個(gè)同時(shí)擁有姚明的身高、博爾特的速度、羽生結(jié)弦的靈活性的運(yùn)動(dòng)員，是極端苛刻的科學(xué)挑戰(zhàn)。

面對(duì)這一世界難題，清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，帶領(lǐng)我們聯(lián)合中科院物理所的科研團(tuán)隊(duì)，組建了一支集材料生長(zhǎng)、器件制備、物理測(cè)量于一體的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)從2009年開(kāi)始，歷經(jīng)四年時(shí)間，開(kāi)展了成千上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)“分子束外延、掃描隧道顯微鏡、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)量子輸運(yùn)測(cè)量”等尖端技術(shù)，對(duì)材料進(jìn)行原子級(jí)別的精準(zhǔn)調(diào)控與制備。

2013年，團(tuán)隊(duì)終于在實(shí)驗(yàn)中首次清晰觀測(cè)到“量子反常霍爾效應(yīng)”：在零外部磁場(chǎng)條件下，霍爾電阻呈現(xiàn)出完美的量子化平臺(tái)，與理論預(yù)測(cè)完全一致。這項(xiàng)工作后來(lái)也被日本、美國(guó)、德國(guó)等很多知名的研究組重復(fù)地驗(yàn)證出來(lái)，作為一個(gè)物理學(xué)的新效應(yīng)，毫無(wú)疑義地可以寫(xiě)在物理學(xué)的教科書(shū)上了。

這一重大成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》上，被國(guó)際學(xué)界評(píng)價(jià)為“霍爾效應(yīng)量子化家族的最后一塊拼圖”“凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的里程碑式突破”。它不僅證實(shí)了量子反常霍爾效應(yīng)的存在，更讓中國(guó)科學(xué)家在拓?fù)淞孔游锢眍I(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位。2018年，該成果榮獲“國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)”；隨后，薛其坤院士榮獲“國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”，成為我國(guó)量子材料領(lǐng)域的標(biāo)志性成就。

最后，我們簡(jiǎn)單總結(jié)并展望一下，量子科學(xué)的百年征程，是人類好奇心與探索精神的最好見(jiàn)證。從普朗克提出量子假說(shuō)，到薛定諤構(gòu)建量子理論大廈；從昂納斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)，到中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，每一步突破都源于對(duì)未知的執(zhí)著探索。面向未來(lái)，不管是量子材料還是在我們中國(guó)科大正在做的全世界最領(lǐng)先的量子通信量子計(jì)算，都有可能在更大程度上來(lái)改變我們對(duì)自然的認(rèn)知以及我們的生活方式。

內(nèi)容整理：路飛