量子材料是量子科技的核心物質(zhì)載體，支撐量子計算、通信與能源變革，是國家科技競爭和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵所在。3月15日，墨子沙龍邀請到了長期深耕量子材料研究領(lǐng)域的專家王亞愚教授，帶來名為《神奇的量子材料：從高溫超導到量子霍爾效應(yīng)》的科普報告。

王亞愚是清華大學學科辦主任，曾任低維量子物理國家重點實驗室主任、物理系主任、理學院院長，主要從事凝聚態(tài)物理實驗研究，在量子反常霍爾效應(yīng)實驗觀測、強關(guān)聯(lián)及拓撲系統(tǒng)量子輸運、高溫超導體微觀電子結(jié)構(gòu)等方向取得系統(tǒng)性原創(chuàng)成果，榮獲麥克米蘭獎、中國青年科技獎、中國物理學會黃昆物理獎、國家自然科學一等獎等重要榮譽。本文根據(jù)講座內(nèi)容整理而成。

量子力學革命

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

之所以將這一年賦予如此重要的定位，核心原因在于，整整一個世紀之前的1925年，德國物理學家海森堡與奧地利物理學家薛定諤分別以矩陣力學與波動力學兩種截然不同的形式，共同創(chuàng)立了完整的量子力學理論體系，為現(xiàn)代物理學奠定了最為關(guān)鍵的一塊基石。

量子科學的起源，要追溯到19世紀與20世紀之交的物理學時代。當時，以牛頓力學為核心的經(jīng)典物理學大廈已經(jīng)構(gòu)建得近乎完美，大到天體運行，小到物體運動，經(jīng)典物理似乎都能給出精準而完備的解釋。

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

同年，德國理論物理學家馬克斯·普朗克在反復研究后，大膽突破經(jīng)典物理的束縛，首次提出了“量子化假說”。他指出，黑體輻射所釋放的能量，并非像經(jīng)典物理所認為的那樣可以連續(xù)無限分割、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“quantus”，本意即為“一定的數(shù)量”，這也是人類科學史上第一次正式提出量子的概念。

1905年，愛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，完美解決了經(jīng)典物理無法解釋的光電效應(yīng)難題，并因此獲得諾貝爾物理學獎，同時揭示了光同時具有波動性與粒子性的“波粒二象性”。

這一階段的量子理論，被科學界稱為“舊量子論”。它以假說為核心，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革命，發(fā)生在1925年。這一年，海森堡因嚴重的花粉過敏，前往無植被、無花粉的黑爾戈蘭島休養(yǎng)，在這段遠離干擾的時間里，他徹底理清了困擾多年的微觀粒子運動規(guī)律，創(chuàng)立了矩陣力學，連續(xù)發(fā)表三篇里程碑式論文，標志著新量子力學正式誕生。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動狀態(tài)的波動力學方程，即著名的薛定諤方程。矩陣力學與波動力學在數(shù)學上完全等價，共同構(gòu)建起量子力學的完整理論大廈。

為了讓大眾直觀理解量子理論中最反直覺的“量子疊加態(tài)”，薛定諤提出了科學史上最著名的思想實驗之一——“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的量子過程，衰變發(fā)生則貓死亡，未衰變則貓存活。按照量子疊加原理，在未打開盒子觀測前，貓?zhí)幱凇凹人烙只睢钡寞B加狀態(tài)，而非確定的死或活。

量子力學的顛覆性，讓它從誕生起就伴隨著持續(xù)百年的科學爭論。其中最著名的，便是愛因斯坦與玻爾之間的世紀論戰(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

量子計算機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)的導電能力，將材料分為三大類：完全不導電的“絕緣體”、導電能力強的“導體”、導電能力介于兩者之間且可調(diào)控的“半導體”。導體能夠?qū)щ姷谋举|(zhì)，是其內(nèi)部存在大量自由電子。在經(jīng)典導電過程中，自由電子并非毫無阻礙地運動，它們會與晶格的熱振動、材料內(nèi)部的雜質(zhì)、缺陷發(fā)生頻繁碰撞，這種碰撞會阻礙電子的運動，形成“電阻。于是科學家提出一個極致的科學問題：“是否存在一種完全沒有電阻、電子可以無阻礙運動的理想導電材料？”

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

1908年，荷蘭物理學家卡末林·昂納斯在萊頓大學實驗室，首次成功將氦氣液化，獲得了僅比絕對零度高幾開爾文的極低溫條件。昂納斯獲得液氦后，開始將各種材料放入極低溫環(huán)境中測試導電特性。他選擇了常溫下為液態(tài)的金屬汞（水銀）作為實驗對象，當溫度降至零下200多攝氏度時，奇跡發(fā)生了：汞的電阻值突然從一個有限的數(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“超導態(tài)”，具備這種特性的材料就是“超導體”。

超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后的四十余年里，愛因斯坦、海森堡、費曼等無數(shù)物理學巨匠都試圖破解超導的微觀機理，但始終未能成功。當時甚至流傳著一條“超導研究第一定理”：“任何關(guān)于超導的理論都是錯誤的”，足見這一問題的難度之高。

直到1957年，美國物理學家巴丁、庫珀、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獎。BCS理論完美解釋了超導零電阻的本質(zhì)：金屬中帶負電的電子，本應(yīng)因同性電荷相互排斥，但它們可以通過“帶正電的晶格離子”作為中介，產(chǎn)生間接的吸引作用，兩個電子相互配對形成“庫珀對”。單個電子運動時會受到晶格、雜質(zhì)的散射，產(chǎn)生電阻；而大量庫珀對協(xié)同運動時，會形成一種宏觀量子相干態(tài)，不再受到散射阻礙，從而實現(xiàn)零電阻導電。

盡管BCS理論成功解釋了傳統(tǒng)超導的機理，但它存在一個致命局限：該理論所描述的超導配對作用極其微弱，只有在極低溫環(huán)境下才能維持，一旦溫度升高，庫珀對就會被熱運動破壞，超導態(tài)隨之消失。這意味著，傳統(tǒng)超導體的應(yīng)用必須依賴昂貴的液氦制冷，成本極高、場景受限，無法大規(guī)模普及。因此，尋找“高溫超導體”，甚至“室溫超導體”，成為了全球物理學家夢寐以求的終極目標。

1987年，華裔科學家吳茂坤、朱經(jīng)武與中國科學家趙忠賢院士團隊，分別獨立發(fā)現(xiàn)了“釔鋇銅氧”體系超導體，其超導轉(zhuǎn)變溫度突破77開爾文，首次進入“液氮溫區(qū)”。同年年3月，美國物理學會年會上，全球物理學家為這一重大發(fā)現(xiàn)徹夜研討，這場持續(xù)八小時的學術(shù)會議，被稱為“物理學界的伍德斯托克音樂節(jié)”！

然而，一個新的科學難題隨之而來：傳統(tǒng)BCS理論無法解釋高溫超導的機理。目前科學界最具潛力的假說認為，高溫超導的電子配對與“電子自旋”密切相關(guān)。但這一假說尚未得到最終證實，“高溫超導微觀機理”至今仍是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最核心、最具挑戰(zhàn)性的科學難題，等待著新一代科學家去破解。

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)是另一個誕生了多個諾貝爾獎的重大領(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，美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)了一個全新的電磁現(xiàn)象：將通電的導體置于磁場中，導體內(nèi)部的電子會在磁場洛倫茲力的作用下發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，在導體兩側(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強度成正比，磁場越強，電子偏轉(zhuǎn)越明顯，霍爾電阻越大。

1879年，霍爾在實驗中又有了新的發(fā)現(xiàn)：在鐵、鈷、鎳等鐵磁材料中，即便不施加外部磁場，也能觀測到明顯的霍爾效應(yīng)。這是因為鐵磁材料自身具有自發(fā)磁化強度，材料內(nèi)部的磁場足以讓電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種零磁場下的霍爾效應(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，電子的運動規(guī)律仍受經(jīng)典電磁學支配。直到1980年，德國物理學家克勞斯·馮·克利青在極強磁場、極低溫條件下，觀測到了完全顛覆經(jīng)典認知的“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”。這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了人類對電子輸運的認知，克利青也因此獲得1985年諾貝爾物理學獎。

1982年，華裔科學家崔琦與同事在更純凈的樣品、更低的溫度、更強的磁場條件下，進一步發(fā)現(xiàn)了“分數(shù)量子霍爾效應(yīng)”——霍爾電阻平臺不僅出現(xiàn)在整數(shù)倍，還出現(xiàn)在1/3、2/3等分數(shù)倍處。這一發(fā)現(xiàn)揭示了電子之間強關(guān)聯(lián)相互作用的全新量子態(tài)，崔琦等人也榮獲1998年諾貝爾物理學獎。

接著，物理學界更近一步提出了一個極具挑戰(zhàn)性的科學問題：“能否在零外部磁場的條件下，實現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)？”這一問題的答案，就是“量子反常霍爾效應(yīng)”。

量子反常霍爾效應(yīng)

早在1988年，英國物理學家霍爾丹就從理論上提出了零磁場量子霍爾效應(yīng)的模型，但這一理論過于抽象，長期未能在實驗中實現(xiàn)。2008年，華裔物理學家張首晟院士聯(lián)合中科院物理所方忠、戴希研究員等科學家，提出了“磁性拓撲絕緣體”的理論路線，明確指出：只有同時滿足“鐵磁性、拓撲性、絕緣性”三大嚴苛條件的材料，才能實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。

這三大條件看似簡單，實則相互矛盾、實現(xiàn)難度極高：鐵磁性材料大多是金屬導體，難以實現(xiàn)絕緣；而拓撲絕緣體的拓撲特性，又容易被鐵磁性破壞。用一個通俗的比喻，尋找這種材料就如同尋找一個同時擁有姚明的身高、博爾特的速度、羽生結(jié)弦的靈活性的運動員，是極端苛刻的科學挑戰(zhàn)。

面對這一世界難題，清華大學薛其坤院士領(lǐng)銜，帶領(lǐng)我們聯(lián)合中科院物理所的科研團隊，組建了一支集材料生長、器件制備、物理測量于一體的聯(lián)合攻關(guān)團隊。團隊從2009年開始，歷經(jīng)四年時間，開展了成千上萬次實驗，通過“分子束外延、掃描隧道顯微鏡、低溫強磁場量子輸運測量”等尖端技術(shù)，對材料進行原子級別的精準調(diào)控與制備。

2013年，團隊終于在實驗中首次清晰觀測到“量子反常霍爾效應(yīng)”：在零外部磁場條件下，霍爾電阻呈現(xiàn)出完美的量子化平臺，與理論預測完全一致。這項工作后來也被日本、美國、德國等很多知名的研究組重復地驗證出來，作為一個物理學的新效應(yīng)，毫無疑義地可以寫在物理學的教科書上了。

這一重大成果發(fā)表在國際頂級期刊《Science》上，被國際學界評價為“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”。它不僅證實了量子反常霍爾效應(yīng)的存在，更讓中國科學家在拓撲量子物理領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位。2018年，該成果榮獲“國家自然科學一等獎”；隨后，薛其坤院士榮獲“國家最高科學技術(shù)獎”，成為我國量子材料領(lǐng)域的標志性成就。

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

內(nèi)容整理：路飛

文章轉(zhuǎn)載自“墨子沙龍”公眾號