中國粉體網(wǎng)訊 近日，據(jù)科技日報報道，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)，層狀二維材料六方氮化硼（hBN）中的“單原子缺陷”可以將量子信息在室溫下保留幾微秒。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因為能夠在環(huán)境條件（室溫）下?lián)碛辛孔有再|(zhì)的材料十分罕見，此次發(fā)現(xiàn)還凸顯了二維材料在推進量子技術(shù)方面的潛力。
圖片來源：埃莉諾·尼科爾斯/劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室
全球力推量子技術(shù)發(fā)展
據(jù)中國科學(xué)院文獻情報中心專家分析，量子科技是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的必爭領(lǐng)域之一，它將催生一系列新興產(chǎn)業(yè)，對社會、經(jīng)濟和國家安全都將產(chǎn)生重大影響。例如量子計算將加速新藥開發(fā)、破解加密算法、人工智能和金融發(fā)展等；量子通信所具有的高安全性，可廣泛應(yīng)用于對信息安全要求很高的領(lǐng)域，例如軍事國防、政務(wù)、金融和互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)等。
隨著第二次量子革命的到來，美國、歐盟、英國、日本和俄羅斯等將量子作為科技發(fā)展的重要方向，紛紛制定量子戰(zhàn)略，加大研發(fā)投入，以搶占技術(shù)制高點。各國通過出臺政策文件、成立協(xié)調(diào)機構(gòu)、政府部門分工協(xié)作、設(shè)立量子研究機構(gòu)等多種方式加大對量子研發(fā)的投資，促進量子科技研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
為搶占量子科技的制高點，中國已將量子科技提升至國家戰(zhàn)略高度。近年來中國出臺了一系列相關(guān)政策，并逐步加大支持。在“十三五”國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃中，中國將量子信息技術(shù)作為體現(xiàn)國家戰(zhàn)略意志的重大科技項目之一。
2016年國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略將量子信息技術(shù)列入發(fā)展引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。中國2016年設(shè)立了量子調(diào)控與量子信息重點專項，2020年圍繞關(guān)聯(lián)電子體系和量子通信兩方面繼續(xù)部署項目。2017年，中國通過“十三五”科技軍民融合發(fā)展專項規(guī)劃推動了包括量子計算在內(nèi)的新一輪軍民融合重大科技項目論證與實施。2019年12月中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出加快量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，統(tǒng)籌布局和規(guī)劃建設(shè)量子保密通信干線網(wǎng)，實現(xiàn)與國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)無縫對接，開展量子通信應(yīng)用試點。
2020年10月，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，中共中央總書記習(xí)近平強調(diào)要充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。
量子材料研究任重道遠
量子材料作為一類新興的功能材料，關(guān)于它的研究也正在快速崛起。不同于傳統(tǒng)材料主要依賴原子或分子級別的相互作用，量子材料的基本特性主要是由電子等基本粒子之間的量子效應(yīng)所決定的，并且取決于材料的對稱性、維度以及電子的關(guān)聯(lián)性質(zhì)、拓撲性質(zhì)等內(nèi)稟性質(zhì)，為現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展提供了一個極好的研究平臺。
可觀測到的量子效應(yīng)賦予了量子材料獨特的光、電、磁等性能以及通過外場對材料性質(zhì)的調(diào)控實現(xiàn)對量子效應(yīng)進行操控的誘人可能，使得其在電子器件、信息技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
據(jù)北京航空航天大學(xué)的專家介紹，量子效應(yīng)是量子材料中最重要和最基本的物理現(xiàn)象，是理解量子材料中各種奇特物理特性和現(xiàn)象的基礎(chǔ)，它揭示了量子材料在微觀尺度上的運行機理。根據(jù)量子力學(xué)，在微觀世界中經(jīng)典物理不再適用而要遵循量子理論。在宏觀世界里，量子力學(xué)的一些特性和效應(yīng)仍然可以顯現(xiàn)出來。著名的例子是凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)核心地位的超導(dǎo)現(xiàn)象。
在常規(guī)超導(dǎo)體的BCS理論解釋中能夠發(fā)現(xiàn)：首先，庫珀對在超導(dǎo)體中具有宏觀數(shù)量；其次，庫珀對占有單一的電子態(tài)，具有和微觀粒子相同的量子力學(xué)性質(zhì)。這種宏觀數(shù)量是微觀粒子在宏觀尺度上的行為，可以稱為宏觀量子態(tài)或者宏觀波函數(shù)，因此我們說超導(dǎo)是宏觀世界的量子行為，超導(dǎo)電性是在宏觀尺度上表現(xiàn)出的量子效應(yīng)。
常規(guī)超導(dǎo)體中庫珀對相互作用的示意圖
其他一些容易在材料中被觀測或者觀察的量子效應(yīng)還有量子隧穿效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)等。這些量子效應(yīng)極大地影響了量子材料的各種性質(zhì)，如電導(dǎo)率、光學(xué)性質(zhì)、磁性等，而利用這些量子效應(yīng)可以設(shè)計出各種功能的量子材料。
近年來，隨著對量子領(lǐng)域研究的不斷深入，越來越多的量子材料被發(fā)現(xiàn)或制備成功，尤其是至少有一個維度上的尺寸為納米尺度的低維材料體系。低維量子材料的尺寸非常小，會引起許多新奇的量子效應(yīng)，因此低維量子材料是一個非常理想的量子研究平臺。
典型的低維量子材料包括：零維的鈣鈦礦式量子點、過渡金屬二硫化物量子點、碳量子點等；一維的碳納米管等；二維的石墨烯等；二維以及三維的拓撲量子材料等。這些量子材料的研究為開發(fā)新一代的光電子學(xué)、精密測量、量子計算等技術(shù)提供了可能，吸引了無數(shù)的目光。
一維量子材料中，電子只能在一個維度中運動，如納米管、納米線等。1991年，日本物理學(xué)家Sumio Iijima在實驗中發(fā)現(xiàn)碳納米管，它獨特的納米結(jié)構(gòu)使其兼容了硬度和柔韌性，受到研究人員的廣泛關(guān)注。并且，由于一維納米材料中極強的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，以碳納米管為代表的一維材料也被廣泛地用于研究一些一維下的獨特量子效應(yīng)。
二維材料指的是厚度在納米尺度的材料，它們在二維空間內(nèi)表現(xiàn)出獨特的量子效應(yīng)。其中，以石墨烯、硅烯、鍺烯、黑磷、過渡金屬硫族化合物等為代表的二維材料展示出豐富的新奇物性，并且具有包含拓撲絕緣體、整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應(yīng)、非常規(guī)超導(dǎo)在內(nèi)的一系列量子現(xiàn)象，極大地豐富了現(xiàn)代凝聚態(tài)物理的理論，是當前多個學(xué)科和交叉學(xué)科的研究熱點。
二維材料的量子自旋霍爾效應(yīng)示意圖
二維材料中的石墨烯具有的特殊結(jié)構(gòu)賦予了它獨特的物理性質(zhì)，如高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高透光率、高強度和超大比表面積等，而這些性質(zhì)為其在電極材料、熱管理、復(fù)合材料和吸附檢測材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強大的性能支撐。此外，石墨烯中的載流子在狄拉克點附近表現(xiàn)為無質(zhì)量的費米子，具有很高的遷移率，因此在室溫條件下，也能在石墨烯中觀測到量子霍爾效應(yīng)。
石墨烯作為第一種被發(fā)現(xiàn)的二維量子材料，展示出許多獨特的電子結(jié)構(gòu)和運輸性質(zhì)，為二維量子材料的研究打開了新的視野。但是，由于石墨烯沒有帶隙，并且很難實現(xiàn)歐姆接觸，這極大地限制了其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
作為石墨烯硼氮代替物的二維材料六方氮化硼，由于其機械、電氣、光學(xué)、化學(xué)和物理性能、熱穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率、低密度、大量結(jié)構(gòu)缺陷、大表面積、寬帶隙半導(dǎo)體性能、低介電常數(shù)、較低電容率、良好的絕緣性能、優(yōu)異的化學(xué)惰性、高抗熱震性和優(yōu)異的腐蝕性等，與石墨烯一樣被廣泛研究及應(yīng)用。
六方氮化硼粉體
深入探索低維量子材料的基本物理原理，理解其量子效應(yīng)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系，不僅能推動基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展，也將促進相關(guān)技術(shù)取得重大進展，對人類未來產(chǎn)生深遠影響。盡管目前低維量子材料的研究還面臨很多基礎(chǔ)理論和實驗技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但相信在未來，科學(xué)家們會不斷戰(zhàn)勝困難與挑戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)和制備出更多新奇、有用的量子材料，為其他技術(shù)和領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路。
參考來源：
李柯仁等：低維量子材料的研究進展，北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院
鄒麗雪等：量子科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究，中國科學(xué)院文獻情報中心
李豐�。盒滦驼瓗兜途S度氮化硼材料的理論設(shè)計與研究，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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