量子材料已經熱鬧了好多年，但是國內網站上對量子材料的介紹卻很難令人滿意。比如像百度百科中有關量子材料介紹，主要內容其實都是關于量子點材料的，而當前人們所說的量子材料其實包含了量子點材料以外的許多新材料。比如高溫超導體，拓撲絕緣體、拓撲半金屬等許多材料都已經被歸類到量子材料中了。但是量子材料有沒有更全面或者說更靠譜的定義呢？

1. 量子材料的概念演化 -先從Web of Science 查查看?

在Web of Science 上檢索主題為帶冒號的“quantum materials”的論文，一共有293個結果。再加上單數的“quantum material”形式，檢索主題: (“quantum materials”) OR 主題: (“quantum material”)共顯示384條記錄。這些結果對應的學科分布情況見圖1.

圖1： Web of Sciences檢索主題: (“quantum materials”) OR 主題: (“quantum material”)得到共384篇論文的前十個學科的分布

由圖1可以看出，量子材料大體上按照物理、材料科學、工程、化學的次序，與這些學科都有關系。（從以下介紹就容易理解為什么量子材料與這些學科都有關系）。

按照發表年度統計，可得到圖2。

圖2： Web of Sciences檢索主題: (“quantum materials”) OR 主題: (“quantum material”)得到共384篇論文的按照出版年的統計

從圖2可以看出，2007年以前，每年發表的主題為”quantum materials”或主題”quantum material”有關論文不到3篇。1979年到2008年的30年里，總共發表文章數只有33篇。而在最近10年，主題為量子材料的出版物數量有非常快速的增長。在2015年一年內就發表論文30篇，2018年增長到了121篇。照現在的發展趨勢估計，2019年會增加到接近200篇。

這里需要說明的是：更多的論文雖然研究對象是量子材料，但因為在主題中沒有寫出來，就不會出現在以上檢索結果中。比如2018年一年發表的主題為topological insulator 的論文就有2164篇，主題為topological materials 的論文為2,443篇，而主題為graphene的論文更是高達48,691篇。把屬于量子材料的所有論文都統計在內的話，每年估計至少也有十萬篇以上。

在以上結果中，最早的一篇論文是1979年發表在SOLID STATE COMMUNICATIONS 上的一篇題為界面三聲子過程和異常界面能量傳輸 （INTERFACIAL 3-PHONON PROCESSES AND ANOMALOUS INTERFACIAL ENERGY-TRANSPORT）的文章，其中的量子材料指的是液態或固態的氦、氫或氘（3He，4He，H2，D2）。上世紀90年代以來到本世紀前幾年，量子材料為主題的論文研究對象主要是量子點材料。最近的十幾年，量子材料得到了快速發展，一個重要的原因是人們發現了很多前所未有的新型量子材料和與這些材料相關聯的新奇性質和物理效應，如石墨烯、鐵基超導體、拓撲絕緣體、拓撲半金屬等。研究這些材料不但有助于人們了解復雜體系的合作行為并發展出新的物理理論，而且可能用來解決人類當前面臨的能源、信息、量子通訊和計算等方面的問題，推動下一次產業革命。

2. 維基百科中的量子材料條目

再來看看維基百科有關量子材料的條目https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_materials：

量子材料是凝聚態物理學中的一個寬泛的術語，它包含了具有強電子關聯的材料和/或存在某種類型的電子序（超導，磁有序），或具有由不尋常的量子效應導致的電子特性的材料，如拓撲絕緣體，類似石墨烯的狄拉克電子體系，以及其集體性質受真正量子行為控制的系統，如超冷原子、冷激子、極化激元等。 量子材料研究中的一個共同線索是突現（emergence）的概念。

歷史

2012年，約瑟夫·奧倫斯坦在物理學雜志上發表了一篇關于“量子材料的超快光譜學”的文章。[Orenstein, Joseph (2012-08-31). “Ultrafast spectroscopy of quantum materials”. Physics Today. 65 (9): 44–50.]他說：

量子材料是一種標簽，用來表示以前在凝聚態物理領域以前被稱為強關聯電子體系的領域。雖然這個領域很寬泛，但是一個統一的主題是發現和研究那些電子特性無法用當代凝聚態物理教科書的概念來理解的材料。

作為一個范例，奧倫斯坦提到由于強關聯導致的Landau Fermi液體理論的失效。術語“量子材料”的使用已經擴展并應用于其他系統，例如拓撲絕緣體和狄拉克電子材料。自“量子材料的興起”一文于2016年在“自然物理學”上發表以來，該術語獲得了更多的注意和應用。[“The rise of quantum materials”. Nature Physics. 12 (2): 105. 2016-02-01]

雖然說在所有材料中都要受到量子力學的定律的支配，量子材料的說法可能被某些人認為過于寬泛，或只是為了引人注目。但如果看到了凝聚態物理的發展歷史，就有充分的理由接受量子材料。從本質上講，它們提供了一個共同的線索將研究物理、材料科學和工程領域的各種前沿問題的不同研究領域的人們聯系在一起。

3. 再看看npj- Quantum Materials 期刊的介紹

我們也可以從Nature 子刊npj- Quantum Materials的介紹來了解量子材料。npj Quantum Materials是一本開放獲取期刊，發表的論文極大促進了人們對量子材料的理解，包括其基本屬性，制造和應用。該學術期刊是量子材料領域的專業學術期刊，它涵蓋的應該是比較靠譜的屬于量子材料的范圍。

該期刊專門涵蓋的研究領域包括：?

超導電性和超導材料：非常規超導體、銅酸鹽、鐵基體系、重費米子超導體、其他新型超導體。?

關聯電子物理與材料：Mott絕緣體、關聯電子體系中的磁性、巨磁電阻、多鐵性和多鐵材料、量子相變、關聯電子體系中的理論和數值方法。?

拓撲量子物理和材料：拓撲絕緣體和拓撲超導體、Dirac半金屬和Weyl半金屬、Majorana費米子、磁性拓撲絕緣體、新型拓撲量子態、拓撲異質結構和器件。?

其他關聯系統：重費米子、非費米液體、量子臨界現象、量子霍爾效應和分數量子霍爾效應、人工量子結構中的相關性、玻色 – 愛因斯坦凝聚和超流體、超冷原子和相關系統。?

先進能源材料中的量子現象：光伏系統、光催化、電池和燃料電池、熱電、其他先進的能源生產和儲存。

4. 量子材料的興起

以下這部分內容摘譯了發表于Nature Physics volume 12, page 105 (2016)的題為“The rise of quantum materials”的評論。

突現（emergence）現象在凝聚態物質中很常見。對這些現象的研究現在已經超越了強關聯電子體系，從而產生了更廣泛的量子材料概念。

根據發表的出版物產出數量來衡量，凝聚態物理是物理學中最大的領域。它的規模來源于它的廣度：處在“凝聚”相中的系統的研究可以應用于幾乎無限的問題，如磁性，超導性和超流性，在很多例子中暫且只提這三個。這里研究方法的基石是對稱性破缺的概念，即凝聚相比未凝聚的對應物具有更低對稱性的想法（例如，固體具有比氣體更低的對稱性）。首先理解這些現象的框架是Landau-Ginzburg相變理論：通過確定反映系統基本對稱性的合適序參數（例如材料的密度，繼續我們的固態示例），可以精確定出出現該對稱性所需的條件。

因此，20世紀60年代和70年代凝聚態物理學的首要主題是不斷尋求序（order）。擁有植根于對稱性的美麗思想，這些概念事實上也滲透到凝聚態物質之外的物理，物理學家們都專注于找出適應于他們選擇的研究體系的相關的、（更為關鍵的是）可測量的序參數。不可避免地，工作往往集中在最難破解的問題上 – 通常是那些沒有可辨別的序參數的問題，或者，如果有的話，也以不同尋常的復雜程度為特征。

由于這些問題持續到20世紀80年代，出現了兩個關鍵的發展。首先，認識到Landau-Ginzburg范式存在例外，例如作為分數量子霍爾效應基礎的拓撲序。其次，高溫超導的發現引起了對所謂的強關聯電子體系的興趣。當然，自Nevill Mott時代就已經知道了多體問題，但是許多問題或多或少與超導電性直接相關，例如重費米子，量子臨界和贗能隙的物理特性，再加上科學家們可用到的計算能力的快速增長，帶來了一個新的正面攻擊這個問題的緊迫性。

雖然超導機制仍然難以捉摸，但強關聯電子體系的時代帶來了許多重大發展。然而，其中最重要的可能不是嚴格意義上的科學發現。相反，它是一種觀點的改變。對材料的非平凡或“奇異”電子特性的研究促進了對由強關聯效應產生的各種突現現象 （無法從單個電子的特性預測的合作行為）的認識。這些包括諸如磁單極子（monopoles）和斯格明子（skyrmions）之類的突現激發，其描述在許多方面比產生它們的原始激發“真空”更簡單。

對突現性質的這種體驗恰好與拓撲絕緣體的實驗發現相吻合，拓撲絕緣體是在用拓撲不變量來理解電子態中向前邁進的 – 拓撲不變量基本上是電子波函數的幾何性質。盡管人們對拓撲保護態的興趣在日益擴大，圍繞拓撲絕緣體的興奮則主要是由于它們特定的金屬表面狀態的魯棒性，而且實現它們的要求也相對寬松：既不需要強電子-電子相互作用，也不需要低維度。此外，而且，似乎為了使這一觀點更加明確，這些發現幾乎與石墨烯中的一系列壯觀觀察同時發生，包括觀察到分數量子霍爾效應。這是一個由sp2電子組成的系統 – 幾乎不是定義中的強關聯材料- 但它顯示了拓撲序的標志，包括無耗輸運和具有分數電荷和統計的突現粒子。

隨著人們越來越清楚地認識到，對突現性質的研究不再局限于強關聯電子體系，因此需要一種新的，更寬泛的描述。在各院系網站和研究項目中，這個詞似乎正在流行，它就是“量子材料”。

看了以上的資料，相信我們就能夠對量子材料有個基本的了解了。大家也可以用類似的方法去深入學習某個領域，不至于被網絡的零散知識誤導。