作者：江穎（北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授、北京懷柔科學(xué)城輕元素量子材料交叉平臺(tái)負(fù)責(zé)人），邊珂（北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心副研究員）

       以量子材料為基石，突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料，驅(qū)動(dòng)顛覆性量子科技發(fā)展，這是科學(xué)家的愿望。展望未來，基于先進(jìn)量子材料的世界將是什么樣？超低能耗、超精密測(cè)量、超高智能的生產(chǎn)生活方式能否實(shí)現(xiàn)？現(xiàn)如今，以輕元素為構(gòu)筑單元的新型量子材料，正逐漸從科幻走向現(xiàn)實(shí)。

       量子材料是指其物性不受經(jīng)典物理規(guī)律支配,表現(xiàn)出不尋常量子效應(yīng)的材料。通常而言，量子材料存在量子關(guān)聯(lián)、量子序、量子漲落和量子相干等新奇性質(zhì)。自分子束外延、極低溫、超高壓、超高真空等實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展以來，以重元素為構(gòu)筑單元或摻雜成分的量子材料已被證實(shí)具有高溫超導(dǎo)、拓?fù)湮飸B(tài)、量子反?；魻栃?yīng)等奇異物性。探索這類材料有望突破經(jīng)典材料的應(yīng)用邊界,發(fā)展新一代量子器件并催生顛覆性技術(shù)。同時(shí)，量子材料也是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和超低功耗電子學(xué)器件的重要基石。

二維冰的核量子效應(yīng) 作者供圖

       突破“脆弱”瓶頸，產(chǎn)生新奇量子物態(tài)

       盡管量子材料展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但它卻非?！按嗳酢保淞孔犹匦缘木S持通常依賴于低溫、高壓、真空等極端條件,且合成成本高,嚴(yán)重制約了實(shí)際應(yīng)用。氫、氦、鋰、硼、碳、氮……這些活躍在化學(xué)元素周期表前列的輕元素，擁有自旋—軌道耦合弱、核量子效應(yīng)強(qiáng)、能隙大、化學(xué)鍵強(qiáng)、自然豐度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有可能幫助量子材料突破“脆弱”瓶頸。

       例如，超導(dǎo)現(xiàn)象是指材料在一定溫度之下完全失去電阻，變成零電阻的導(dǎo)體，可實(shí)現(xiàn)無損耗的輸電、高效的電動(dòng)機(jī)、高密度的儲(chǔ)能等電力方面的應(yīng)用。超導(dǎo)態(tài)通常出現(xiàn)在低溫環(huán)境中，然而最近的研究發(fā)現(xiàn)，富含氫元素的化合物材料在上百萬個(gè)大氣壓條件下存在近室溫的超導(dǎo)性質(zhì)。盡管近室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)需要極端高壓條件，但人們開始認(rèn)識(shí)到，輕元素材料是最有希望實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的選擇之一。

       一般認(rèn)為，由于重元素的原子核質(zhì)量較大，在波恩—奧本海默近似條件下只需要考慮電子的量子效應(yīng)，原子核被當(dāng)作經(jīng)典粒子處理。然而，對(duì)于以氫為代表的輕元素體系，其原子核也存在很強(qiáng)的量子效應(yīng)，這時(shí)候就需要突破傳統(tǒng)，將電子和原子核同時(shí)量子化，從而產(chǎn)生奇特的核量子效應(yīng)。最近有研究發(fā)現(xiàn)，核量子效應(yīng)可大幅降低富氫體系達(dá)到超導(dǎo)態(tài)所需的高壓?？茖W(xué)家們不禁開始思考，通過調(diào)控輕元素材料的核量子效應(yīng)，是否可以在近常壓環(huán)境，觀察到超高壓條件下才能出現(xiàn)的量子現(xiàn)象？因此，輕元素體系的核量子效應(yīng)調(diào)控，為環(huán)境友好的新奇量子物態(tài)探索和新型量子器件研發(fā)提供了全新思路。

       不僅如此，以金剛石和氮化硼等為代表的輕元素材料中，存在種類豐富的原子級(jí)缺陷。這類缺陷已被證實(shí)可用作高性能的固態(tài)量子比特或量子探針。一方面，上述缺陷與材料的自旋—軌道耦合相互作用較弱，極大程度抑制了量子比特相干性的弛豫效應(yīng)；另一方面，輕元素材料可具備較大的能隙，容易形成熒光效率較高的發(fā)光色心，從而易與成熟的光量子操縱技術(shù)交叉融合?？傊p元素材料所搭載的固態(tài)量子比特，在室溫條件下，就具備優(yōu)越的量子相干性、量子態(tài)可操作性和可讀性。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝和先進(jìn)表征設(shè)備的飛速發(fā)展，以原子級(jí)精度創(chuàng)制固態(tài)量子比特以及搭建量子芯片的愿望正逐步成為現(xiàn)實(shí)。因此輕元素材料已成為室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)和量子精密測(cè)量的優(yōu)勢(shì)備選材料。

       輕元素量子材料有望在室溫和常壓下實(shí)現(xiàn)魯棒量子態(tài)

       事實(shí)上，輕元素材料在人類生產(chǎn)生活中十分常見。如石墨、金剛石、氮化硼等都是自然界中存在已久的天然材料。鑒于其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，上述材料早已成為重要的工業(yè)原料。

       但直到最近，人們才逐漸認(rèn)識(shí)到輕元素材料具備獨(dú)特的物理性質(zhì)，可在電子和原子核“全量子化”框架下探索新奇量子態(tài)，并有望在室溫和常壓下實(shí)現(xiàn)魯棒的宏觀量子態(tài)，實(shí)質(zhì)性推進(jìn)量子材料的落地和在信息、能源、環(huán)境、生物等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，具有巨大的應(yīng)用前景。

       相較于傳統(tǒng)量子材料，輕元素量子材料的元素種類范圍小、確定性高，可大幅降低研究人員對(duì)多種類過渡元素和重元素?fù)诫s的試錯(cuò)成本。然而需要強(qiáng)調(diào)的是，元素種類的高度確定性并不意味著其量子特性的平庸。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，輕元素材料更容易進(jìn)行豐富且精準(zhǔn)的構(gòu)筑和調(diào)控。例如，基于碳基前驅(qū)分子可以“自下而上”地精準(zhǔn)構(gòu)筑多種低維量子材料，而借助異質(zhì)結(jié)、轉(zhuǎn)角和超晶格調(diào)控等表/界面調(diào)控技術(shù)，則催生出大量具有非平庸電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的新型輕元素二維量子材料。盡管從原子尺度設(shè)計(jì)、構(gòu)筑、闡釋、調(diào)控輕元素材料量子物性的整體技術(shù)尚處于初步發(fā)展階段，但正因輕元素材料的元素種類具有確定性和可操作性，以量子材料為基石的量子芯片和量子器件的高效調(diào)控和制備才迎來了新生機(jī)。此外，輕元素的自然豐度高、原料獲取難度低，對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)輕元素量子材料規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用至關(guān)重要。

       室溫常壓下的超導(dǎo)、固態(tài)量子計(jì)算等方向雖然還屬于未來技術(shù)，但我們依然可以基于當(dāng)前輕元素材料體系已有的研究成果制定出高可行性的技術(shù)路線。首先，應(yīng)針對(duì)輕元素量子材料開發(fā)先進(jìn)的創(chuàng)制與表征設(shè)備，尤其需要發(fā)展針對(duì)輕元素原子核敏感的表征或調(diào)控方法。進(jìn)一步，借助輕元素的獨(dú)特物理特性，探索新方法和新途徑，突破維持量子物性所需的極端高壓和低溫環(huán)境的限制。此外，還應(yīng)該開發(fā)通用的輕元素材料生長方法，努力將其推向規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化。最后，還需要設(shè)立輕元素量子材料的公共研究平臺(tái)，通過建立共享式的高端科研合作工作室，高效整合并利用科技資源，加快量子器件的發(fā)展步伐。

       全新范式的先進(jìn)量子材料是屬于未來的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)

       近年來，國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)和高校，紛紛將以輕元素為主題的量子材料作為重點(diǎn)研究對(duì)象，并著手布局輕元素量子材料及其量子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。

       在先進(jìn)表征技術(shù)研發(fā)方面，近年來，北京大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所等單位自主發(fā)展了高分辨掃描探針顯微鏡、掃描透射電鏡、非線性光譜等高分辨表征技術(shù)，同時(shí)結(jié)合量子傳感和人工智能等前沿技術(shù)，力圖突破傳統(tǒng)表征手段的瓶頸，成功研發(fā)出針對(duì)氫、硼、碳、氮等各類輕元素敏感的先進(jìn)表征手段并完成國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了空間、時(shí)間、能量、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多個(gè)物理維度的精密測(cè)量，為探索輕元素量子材料新奇物性的微觀起源打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

       在先進(jìn)調(diào)控技術(shù)研究方面，富氫體系氫鍵的對(duì)稱化是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性的重要條件，通常需要超高壓條件。近期，北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控核量子效應(yīng)，在表面上實(shí)現(xiàn)了二維冰的對(duì)稱氫鍵構(gòu)型，為近常壓條件下實(shí)現(xiàn)超離子態(tài)甚至超導(dǎo)態(tài)提供了可能。雖然通過調(diào)控輕元素的核量子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)百萬個(gè)大氣壓量級(jí)的等效高壓仍然十分困難，但此研究為超高壓下量子物態(tài)的實(shí)用化研究提供了新的思路。

       在先進(jìn)材料制備工藝方面，系統(tǒng)清晰地研究和調(diào)控量子材料的某種優(yōu)勢(shì)性能，往往需要在苛刻的實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)。為了真正發(fā)揮輕元素量子材料的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，要同步摸索與工業(yè)兼容的制備工藝。北京大學(xué)多年來專攻輕元素二維材料的高質(zhì)量和規(guī)?；L方案，在單晶輕元素材料方向均發(fā)展出全新的生長技術(shù)。例如，實(shí)現(xiàn)了分米級(jí)高質(zhì)量的六方氮化硼單晶和厘米級(jí)菱方氮化硼單晶的制備，并將上述成果孵化企業(yè)，加速推動(dòng)輕元素量子材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

       在推進(jìn)平臺(tái)建設(shè)方面，由北京市政府和北京大學(xué)共建的輕元素量子材料交叉研究平臺(tái)已在懷柔科學(xué)城揭牌運(yùn)行。該平臺(tái)是世界上首個(gè)國際化、規(guī)模最大、設(shè)施最齊全的輕元素材料綜合研究中心，將打造針對(duì)新型輕元素材料預(yù)測(cè)、表征、制備與產(chǎn)業(yè)化的完整鏈條。該平臺(tái)不僅與懷柔科學(xué)城的高能同步輻射光源、綜合極端條件等多個(gè)大型科學(xué)設(shè)施和交叉平臺(tái)緊密合作，也鼓勵(lì)對(duì)外開放共享，希望集聚國內(nèi)外優(yōu)勢(shì)力量共同推動(dòng)這一頗具前景的研究方向。

       發(fā)掘和運(yùn)用輕元素材料的獨(dú)特物性，使其突破現(xiàn)有量子材料的應(yīng)用瓶頸，沒有現(xiàn)成的發(fā)展藍(lán)圖。輕元素量子材料在國際上屬于新興方向，需要持續(xù)探索。與充滿激烈競爭的半導(dǎo)體等現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)不同，輕元素量子材料的發(fā)展和探索屬于未來產(chǎn)業(yè)。近年來已有不少國家開始轉(zhuǎn)向這一賽道，如芝加哥大學(xué)的Q-NEXT量子中心就將各種輕元素材料中的固態(tài)量子比特作為焦點(diǎn)研究方向。這意味著我們需要直面科學(xué)難題，勇于探索“無人區(qū)”，并逐步摸索出最適合我國國情的科技路線。因此，以輕元素為著手點(diǎn)，提前布局發(fā)展全新范式的先進(jìn)量子材料，既是挑戰(zhàn)，也是改變現(xiàn)有量子科技領(lǐng)域格局，引領(lǐng)國際潮流的巨大機(jī)遇！

《光明日?qǐng)?bào)》（2024年08月22日 16版）