室溫超導可能存在嗎？其實高溫超導的機理問題還未解決

今日頭條讀者大家好，我是陳仙輝。非常高興有機會來介紹《中國量子物質(zhì)與應用2035發(fā)展戰(zhàn)略》研究報告。

我的演講題目是《量子物質(zhì)中的演生現(xiàn)象和應用》。量子物質(zhì)中的演生現(xiàn)象屬于物理學里面凝聚態(tài)物理范疇，通俗講就是材料物理，當然它比材料物理要廣泛，它研究的是宏觀物質(zhì)中的物態(tài)和量子現(xiàn)象。

▲ 信息技術的四大關鍵技術

凝聚態(tài)物理的成果已經(jīng)被大家所熟悉。在信息技術里面有4個門類：信息的處理、信息的儲存、信息的顯示和信息的傳輸。

大家都有手機，手機里信息的處理就基于凝聚態(tài)物理里面晶體管的發(fā)現(xiàn)，曾在1956年被授予諾貝爾獎，還有集成電路2000年被授予諾貝爾獎。信息的存讀也是基于凝聚態(tài)科學的基礎研究巨磁阻效應，在2007年獲得諾貝爾獎。還有信息的顯示，液晶是1991年獲諾貝爾獎，前幾年還有藍光LED也被授予諾貝爾獎。還有信息的傳輸所用的光纖是2009年獲得諾貝爾獎，華裔科學家高錕做了貢獻。

▲ 物理學發(fā)展的兩個維度

物理研究有兩個維度?？v向就是還原論的科學思想：只要我們了解和懂得了構成這個世界物質(zhì)的基本單元，就可以把它的規(guī)律都搞清楚。就像我們現(xiàn)在知道分子是由原子組成，原子是由原子核和核外電子組成，再往里面有夸克等等。

但事實并不是這樣的。我們知道了這些基本元素，并不能把物質(zhì)世界里面的所有規(guī)律都能弄清楚。

▲ 菲利普·安德森（Philip W. Anderson）

演生物理的出現(xiàn)是在1972年，偉大的物理學家也是諾貝爾獎獲得者菲利普·安德森（Philip W. Anderson）寫過一篇文章More is different，翻譯成中文就是復雜程度不一樣、它的物理規(guī)律就不一樣。

這就跟還原論不一樣。我們把這一套哲學思想就是研究科學方法稱作為演生論。演生論是什么意思呢？它指在復雜的每一個層次都會呈現(xiàn)出全新的性質(zhì)，并不是由構成這個物質(zhì)的最基本的單元的性質(zhì)所決定。安德森講道：為了理解這些新的行為所需要做的研究，就其基礎性來講，與其他的研究相比毫不遜色。

他講這句話是在1972年，那時候高能物理跟粒子物理是非常非常熱的，而凝聚態(tài)物理在物理里面是講不清楚的，所以安德森就寫下了這句我們凝聚態(tài)物理的格言。這就是我們物理學哲學的兩個思想。

什么是量子材料？

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我今天要談的是物質(zhì)。量子物質(zhì)翻譯成英文可以是“quantum matter”，也可以是“quantum materials”（量子材料）。

量子材料的概念始于上個世紀80年代兩個偉大的發(fā)現(xiàn)：一個就是1986年的銅氧化物高溫超導體，還有一個就是1980年和1982年的整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應。

上世紀80年代之前，物理研究的物質(zhì)世界就是核外電子跟晶格振動，那時候電子被認為是自由電子，所以就有一個范式。在這個范式里用能帶結構和朗道-費米液體理論來處理就可以了。

但是由于這兩個偉大的發(fā)現(xiàn)，就引入了拓撲的概念，還有電子關聯(lián)，當然還跟維度有關系。所以量子材料就是里面有很強的電子的關聯(lián)、有拓撲性質(zhì)，還有維度引起的量子效應的材料。

▲ 量子材料的6個方向

為了討論學科戰(zhàn)略規(guī)劃，我們在這套書中將量子材料分為了6個方向，就是超導和強關聯(lián)體系、拓撲量子物態(tài)體系、低維量子體系、多自由度耦合量子物態(tài)體系、極端條件下新奇量子物態(tài)以及量子物質(zhì)的合成和探索。

▲關聯(lián)電子體系的演生現(xiàn)象

這張圖展現(xiàn)了從上世紀80年代到現(xiàn)在再到將來的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的學科，比如拓撲電子學、量子計算、室溫超導，還有一個莫特電子學（mottronics），在電子學方面有很大的突破。由于關聯(lián)電子體系，就出現(xiàn)了很多原來沒有觀察到的物理現(xiàn)象，像自旋有序、電荷有序、超導軌道序、電子液晶相等等。

▲演生物態(tài)和相關的演生粒子

還有一個有意思的事情，就是在這些特殊的物態(tài)里面會出現(xiàn)相關的演生粒子。在凝聚態(tài)物質(zhì)里面，就是原子核、核外電子就這兩部分，原子核構成的晶格的振動我們用一種準粒子聲子的概念來描述，而電子就是自由電子。但是磁性材料里面又有磁子的概念。像氦-3、氦-4還有超流現(xiàn)象，就是無阻地流動，有聲子和旋子這些準粒子概念。超導里面也有一個準粒子，是什么呢？它的描述的粒子就是庫珀對，要兩個電子形成一對，從原來兩個費米子變成一個玻色子。

那么量子材料出現(xiàn)以后，對傳統(tǒng)的理論提出挑戰(zhàn)、就是我講的對朗道-費米液體理論提出挑戰(zhàn)。從原來的費米體系到現(xiàn)在的玻色體系，甚至復合的一些準粒子體系等等，從原來的三維到低維和界面的問題，出現(xiàn)了很多新的一些物理。

▲量子材料的特征 Philip W. Anderson: More is different (1972)

那在這樣一個量子材料特征里面，它會出現(xiàn)很多演生現(xiàn)象，就是出現(xiàn)很多物理的態(tài)。像量子反?；魻栃?、自旋霍爾效應、高溫超導、巨磁電阻、金屬-絕緣體相變、多鐵與磁電耦合，這些都是一些新的物理態(tài)。

更有意思的是，剛才我講到了，在物質(zhì)里面我們研究的就是電子和聲子，當然電子有兩個屬性，它帶有自旋也有電荷，同時不同的元素的核外電子的軌道也不一樣。但總而言之，原來我們用朗道-費米液體理論，就是用的一個準粒子的概念。

但由于出現(xiàn)這些演生現(xiàn)象，就會在我們的凝聚態(tài)物質(zhì)的研究中，發(fā)現(xiàn)這些量子態(tài)里面有狄拉克費米子、外爾費米子、馬約拉納費米子、磁單極子、斯格明子。而這些粒子是高能物理和粒子物理他們認為是應該存在于自然界的粒子，但一直沒有觀察到。反而是在物質(zhì)科學出現(xiàn)的很多量子態(tài)里面需要這樣一些準粒子，而這些準粒子的性質(zhì)跟真實的他們研究的粒子的性質(zhì)是完全一樣，所以出現(xiàn)新的物理。

量子材料有哪些應用？

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現(xiàn)在講講量子物理的應用。假設磁性材料可以作為信息的存儲，超導和拓撲可以作為低能耗的電子學做現(xiàn)在的量子計算，那么低維材料可以作為新型量子器件。

▲Y. Tokura et al., Nature Physics13, 1056–1068 (2017)

量子計算有方案，有超導量子計算、拓撲量子計算，就是基于這樣一些新物理。

還有一個摩爾定律。畢竟到現(xiàn)在集成電路受到很大的挑戰(zhàn)，面臨眾多瓶頸。現(xiàn)在的半導體集成電路已經(jīng)進入亞10納米的技術節(jié)點，非常接近物理的極限，在這個情況下它的應用方面存在3大瓶頸：一個是功耗瓶頸，一個是速度瓶頸，還有一個是制造瓶頸。

制造瓶頸方面我們都有所耳聞，像我們現(xiàn)在被“卡脖子”的光刻機，要做到這么小的亞10納米的技術節(jié)點，所需要的進行光刻的光源的波長就必須要小于這個，否則達不到這樣的分辨率，做不好這樣的器件，就會有制造瓶頸。

還有一個就是功耗瓶頸。根據(jù)2021年的數(shù)據(jù)，我們國家的大數(shù)據(jù)中心所消耗的電費占全國能耗的6%，并且據(jù)說還在以8%的速度增長?，F(xiàn)在的人工智能也都要基于大數(shù)據(jù)計算。按這樣的發(fā)展趨勢，能耗問題如何解決，這是我們科學家應該思考的問題。所以我們急需發(fā)展新一代的低能耗的信息技術。

那么實際上我們這個領域的科學家在很早就已經(jīng)開始研究磁性半導體。為什么要研究磁性半導體？我們現(xiàn)在的晶體管的原理是通過電場控制電流，調(diào)控的是電子，但電子的相互作用能量很高。

如果我們有辦法來調(diào)控電子的另一個屬性——自旋的話，它的能量可以低3-4個量級，這樣的話我們的功耗就可以大幅度降下來。而且可以研制出像非易失存儲器、存算一體、類腦計算等等。這就需要基于量子材料發(fā)展自旋電子學、拓撲電子學、磁電耦合，但是目前為止還在研究中。

▲ 左：整數(shù)量子霍爾效應 Klitzing 1985

右：分數(shù)量子霍爾效應 Laughlin St?rmer Tsui 1998

拓撲本來是一個數(shù)學概念，凝聚態(tài)物質(zhì)從一個物態(tài)到另外一個物態(tài)變化的時候，原來是用對稱性來描述。像冰、水都是水，但是固態(tài)的水跟液態(tài)的水的對稱性是不一樣的，固態(tài)的對稱性更高。但是現(xiàn)在有些物質(zhì)，尤其是量子霍爾效應發(fā)現(xiàn)以后，用對稱性不能描述物態(tài)之間的變化，必須要有拓撲的不變量，就出現(xiàn)新的物理。

拓撲量子態(tài)的特點是無損耗的輸運、拓撲的穩(wěn)定性、手性反常并且有非阿貝爾統(tǒng)計。剛才講的量子計算里面，不管是超導的也好、拓撲的也好，必須滿足非阿貝爾統(tǒng)計才能往下走。所以拓撲量子體系具有非常豐富和新穎的物理現(xiàn)象，并孕育著革命性的技術的發(fā)展。

那舉一個石墨烯的例子。石墨烯就是石墨的單層，而石墨是一個普通的物質(zhì)材料，它的性質(zhì)可以用朗道-費米液體理論來描述。但是單層以后，雖然物質(zhì)完全一樣，它就變成一個拓撲材料，是一個無能隙的狄拉克費米子，所以它有非常奇特的性能。

▲ 左：Room-temperature QHE

右：FQHE

它有非常好的遷移率和熱導，它的電阻比金屬銀的電阻率還要低，這是一個極其反常的性質(zhì)，這些都源于它的拓撲。當時我們想降低硅材料的功耗，對石墨烯寄予很大的厚望，但是非常遺憾，發(fā)現(xiàn)它沒有能隙，不能構成半導體。

▲ 黑磷場效應晶體管的發(fā)現(xiàn)

我們跟復旦大學張遠波團隊發(fā)現(xiàn)了另一類半導體材料黑磷，這樣的一些量子材料它有能隙，而且從0.3-1.8電子伏特（eV）可調(diào)，可以作為未來的半導體材料的一個候選。

▲ 量子反?；魻栃?/p>

所以拓撲物態(tài)的重要性，從基礎到應用有3個方面：第一，存在磁性、超導等多關聯(lián)效應的拓撲體系；第二，打破了傳統(tǒng)的“體邊對應原理”的新拓撲物態(tài)，如非厄米體系等；第三，還有新奇的光、電、磁等玻色體系等效應。那么在量子霍爾效應和反常量子霍爾效應中，它們的輸運過程中是沒有能耗的。

那超導跟量子有什么關系？超導是人類觀察到的第一個宏觀量子效應。超導是1911年發(fā)現(xiàn)的，而量子力學是上個世紀30年代到40年代才完全建立，也就是在量子力學還沒有建成之前，人們已經(jīng)觀察到了量子力學原理下的量子效應，這就是超導。

那么對于低維體系，我剛才已經(jīng)介紹過像石墨跟石墨烯的關系。臺積電為了制造2納米以下的集成電路，需要引入二維材料，具體我就不詳細介紹了。所以二維半導體是延續(xù)摩爾定律的重要材料，也是一類量子材料。

低維體系從技術研究來講，是通過單原子和電子自旋構造一些新奇的物態(tài)。從應用方面來講，它可以實現(xiàn)高速低功耗的信息功能器件和存儲器件。

多自由度的耦合物態(tài)也是我們量子材料研究的一個方向。從電子學的角度來講，量子材料里面具有的多自由度有3大出路，可以做出更好的信息存儲器件、存內(nèi)的計算器件和類腦的計算器件。

那么因為量子材料有多自由度的原因，它可以決定如何選擇決定類腦和存內(nèi)計算器的狀態(tài)，取決于它的材料和器件的行為。

那么在極端條件下的新奇量子材料是怎樣的？這張圖上的紅星就是在物理里面發(fā)現(xiàn)的一個個新的物態(tài)，每一個基本上就是一個諾貝爾獎級別的基礎工作。我們可以看出來，隨著溫度的降低，它的量子效應物態(tài)就表現(xiàn)得越明顯，原因在于量子效應是跟溫度的倒數(shù)成反比的，溫度越低，量子效應就越強。

現(xiàn)在還有一種量子計算和模擬，是通過超冷原子的技術、量子場論、量子材料和超導物理等等結合，實現(xiàn)量子計算機的一些基本功能，為解決現(xiàn)在高溫超導復雜體系等方面提供一些計算。

當然講到量子材料，我們要探索新的物質(zhì)和合成。我們開始寫這本書是2020年，實際上當時我們高通量實驗的“材料基因組計劃”還在計劃之中，而現(xiàn)在我們中國科學院在懷柔建的實驗室就已經(jīng)可以做高通量的計算和高通量合成，為材料的探索打下了很好的基礎。

但是技術也有很大的挑戰(zhàn)。原來我們要做的材料都是厘米尺寸為襯底，現(xiàn)在從厘米到微米的結構，我們要能表征，也要能進行厘米到微米的輸運，這個非常重要?，F(xiàn)在我們國家在這個領域里面做得很好。

我們國家的科學家要致力發(fā)現(xiàn)中國品牌的新奇的量子物質(zhì)，然后展現(xiàn)出新的一些物理效應，就類似于像石墨烯的發(fā)現(xiàn)。這是我們現(xiàn)在應該加強的，當然現(xiàn)在開始有很好的基礎。

▲ 左上：轉(zhuǎn)角石墨烯中的超導

右上：轉(zhuǎn)角石墨烯中QAE

左下：轉(zhuǎn)角高溫超導體中的d+id超導配對機制

右下：轉(zhuǎn)角半導體的Wigner晶體

另外一個，就是調(diào)控材料來獲得更多的物態(tài)，像轉(zhuǎn)角石墨烯可以出現(xiàn)超導，轉(zhuǎn)角高溫超導體可以出現(xiàn)非常奇特的配對對稱性的機制，轉(zhuǎn)角石墨烯可以發(fā)現(xiàn)反常量子霍爾效應，可以看到半導體的維格納（Wigner）晶體的效應等等。當然還有理論跟實驗跟設備結合起來的一些技術應用。

等待解決的高溫超導機理問題

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講到量子材料，不得不講超導。超導是人類觀察的第一個宏觀量子效應，所以超導體就是一個量子材料。

在過去的100年里面，與超導相關研究已經(jīng)有5次共10個人獲得諾貝爾獎，但是超導仍然有很大的挑戰(zhàn)，主要的挑戰(zhàn)包括銅基和鐵基高溫超導的非常規(guī)機理。銅氧化物超導體是上個世紀1986年發(fā)現(xiàn)的，距今已經(jīng)將近40年了，但機理問題一直沒有解決。

沒有解決的原因，是我們原來沒有思考過這個問題，仍然是用朗道-費米液體理論來處理一個強關聯(lián)電子體系。在這方面我們的科學家已經(jīng)提出來了，實際上我們也在做這件事情。中國科學院學術委員會除了我們組織跟基金委合作寫這本書《中國量子物質(zhì)與應用2035發(fā)展戰(zhàn)略》以外，我們也在布局青年團隊，開始探索室溫超導，就是要突破原來的朗道-費米液體理論。我個人的觀點，不一定對，就是不突破這個框架，我們很難來完善和建立非常規(guī)超導體的機理。

另外一個重點就是學科方向，就是室溫超導體的探索，還有超導的應用。像超導量子計算機、拓撲量子計算機都是我們應用的前景。

那么超導里面約瑟夫森效應和金茲堡-朗道（Ginzburg-Landau）唯象理論這兩個理論奠定了超導的電子學，其存在使得超導材料是一個信息材料。同時金茲堡-朗道的唯象理論奠定了強電的應用，因為它是無阻載流。就是通以電流的時候，它沒有焦耳損耗，不會發(fā)熱，這就沒有無謂的功耗。

由于金茲堡-朗道唯象理論解決了強電應用的方面，所以它也是個能源材料。一個材料既是信息材料也是能源材料，這樣的情況很少，但現(xiàn)在的硅材料就是這樣的。硅可以造芯片，是信息材料，但它也可作為光伏應用，又是能源材料。所以超導在這方面是有廣泛的應用前景。

現(xiàn)在我要再講一下關于高性能計算的問題，前面我講了大數(shù)據(jù)要高性能計算，而高性能計算的功耗特別大。舉一個例子，若以我們國家現(xiàn)在的半導體的技術要建一臺E級的超級計算機，E級是指每秒運算能力能達百億億次。它一年的消耗的電費是三峽水電站發(fā)電量的1/3，也就是三峽這么大的一個工程只能供3臺E級的超級計算機，所以這個功耗是很難走得下去的。美國能源部明確規(guī)定，一個基于半導體的E級計算機的功耗不得高于20兆瓦，而我們現(xiàn)在一臺E級的功耗竟然達3.5吉瓦，所以確實是一個很大的問題。

▲ 超導量子計算處理器“祖沖之號”

這樣的話，要節(jié)省這個功耗怎么辦？實際上，現(xiàn)在的計算是我們應用半導體計算機，而未來就是量子計算機，那么在中間我們可以用超導計算機。這點中國科學院已經(jīng)提前布局并且實際上已經(jīng)運行了，用超導作為CPU的實驗論證都已經(jīng)成功了。

▲超導集成電路是后摩爾信息技術的重要方向

那超導計算機跟半導體計算機比有什么優(yōu)勢？這里我講一下它里面核心器件操控的原理。超導就是約瑟夫森效應，半導體就是PN結晶體管；而在超導里面操控的是單磁通量子，在半導體操控的是CMOS。所以超導的速度比半導體的要快2個量級，功耗要低5個量級，并且運用的生態(tài)跟半導體是可兼容的。

▲富氫體系為高溫超導的實現(xiàn)提供了新的思路

超導里面另外一個應用就是室溫超導，現(xiàn)在常壓下的室溫超導是不能實現(xiàn)的?，F(xiàn)在超導臨界溫度最高是多少呢？132K。在高壓下面富氫材料已經(jīng)可以達到260K。前段時間美國羅切斯特大學他們做室溫超導，但他們的重點不是室溫，重點是實現(xiàn)室溫超導只要一兩萬個大氣壓。這對于物理來講不算高，材料是可以用別的方法來穩(wěn)定，但現(xiàn)在這個結果還有待考證。

材料決定著人類的文明

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人類的文明可以用材料來劃分，原來是石器時期、青銅器時期、鐵器時代、鋼鐵時代，現(xiàn)在是硅基時代。我們現(xiàn)在的每個人都有手機、筆記本里面都有硅基材料。那么下一代可能能取代硅基的材料是什么呢？我認為量子材料有這個潛力。

最后再總結一下，新材料的發(fā)現(xiàn)可以改變世界、推動人類文明的發(fā)展，可以推動科學的發(fā)現(xiàn)和技術的發(fā)展，可以推動經(jīng)濟發(fā)展、催生新的產(chǎn)業(yè)。材料是所有制造業(yè)，比如芯片等器件的基礎，也是我們信息技術和能源技術的支撐。

謝謝大家！

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