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量子材料简介
2019-03-01
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    量子材料是凝聚态物理学中的一个宽泛的术语,它包含了具有强电子关联的材料和/或存在某种类型的电子序(超导,磁有序),或具有由不寻常的量子效应导致的电子特性的材料,如拓扑绝缘体,类似石墨烯的狄拉克电子体系,以及其集体性质受真正量子行为控制的系统,如超冷原子,冷激子,极化激元等。 量子材料研究中的一个共同线索是突现的概念。

    量子材料包括其基本属性,制造和应用的研究领域包括,(1)超导电性和超导材料:非常规超导体、铜酸盐、铁基体系、重费米子超导体、其他新型超导体。关联电子物理与材料:Mott绝缘体、关联电子体系中的磁性、巨磁电阻、多铁性和多铁材料、量子相变、关联电子体系中的理论和数值方法。(2)拓扑量子物理和材料:拓扑绝缘体和拓扑超导体、Dirac半金属和Weyl半金属、Majorana费米子、磁性拓扑绝缘体、新型拓扑量子态、拓扑异质结构和器件。(3)其他关联系统:重费米子、非费米液体、量子临界现象、量子霍尔效应和分数量子霍尔效应、人工量子结构中的相关性、玻色-爱因斯坦凝聚和超流体、超冷原子和相关系统。(4)先进能源材料中的量子现象:光伏系统、光催化、电池和燃料电池、热电、其他先进的能源生产和储存。

    量子材料的兴起,从突现现象在凝聚态物质中的很常见;由于对这些现象的研究,现在已经超越了强关联电子体系,从而产生了更广泛的量子材料概念。从数量来衡量,凝聚态物理是物理学中最大的领域。它的规模来源于它的广度:处在“凝聚”相中的系统的研究,可以应用于几乎无限的问题,如磁性,超导性和超流性,在很多例子中暂且只提这三个。这里研究方法的基石,是对称性破缺的概念,即凝聚相比未凝聚的对应物,具有更低对称性的想法(例如,固体具有比气体更低的对称性)。首先理解这些现象的框架是Landau-Ginzburg相变理论:通过确定反映系统基本对称性的合适序参数(例如材料的密度,继续我们的固态示例),可以精确定出出现该对称性所需的条件。因此20世纪60年代和70年代,凝聚态物理学的首要主题是不断寻求序。拥有植根于对称性的美丽思想,这些概念事实上也渗透到凝聚态物质之外的物理,物理学家们都专注于找出适应于他们选择的研究体系的相关的、(更为关键的是)可测量的序参数。

    不可避免地,工作往往集中在最难破解的问题上 通常是那些没有可辨别的序参数的问题,或者,如果有的话,也以不同寻常的复杂程度为特征。由于这些问题持续到20世纪80年代,出现了两个关键的发展。首先,认识到Landau-Ginzburg范式存在例外,例如作为分数量子霍尔效应基础的拓扑序。其次,高温超导的发现引起了对所谓的强关联电子体系的兴趣。当然,自Nevill Mott时代就已经知道了多体问题,但是许多问题或多或少与超导电性直接相关,例如重费米子,量子临界和赝能隙的物理特性,再加上科学家们可用到的计算能力的快速增长,带来了一个新的正面攻击这个问题的紧迫性。

    虽然超导机制仍然难以捉摸,但强关联电子体系的时代带来了许多重大发展。然而,其中最重要的可能不是严格意义上的科学发现。相反,它是一种观点的改变。对材料的非平凡或“奇异”电子特性的研究,促进了对由强关联效应产生的各种突现现象(无法从单个电子的特性预测的合作行为)的认识。这些包括诸如磁单极子和斯格明子之类的突现激发,其描述在许多方面比产生它们的原始激发“真空”更简单。对突现性质的这种体验,恰好与拓扑绝缘体的实验发现相吻合,拓扑绝缘体是在用拓扑不变量来理解电子态中向前迈进的  拓扑不变量基本上是电子波函数的几何性质。

    尽管人们对拓扑保护态的兴趣在日益扩大,围绕拓扑绝缘体的兴奋,则主要是由于它们特定的金属表面状态的鲁棒性,而且实现它们的要求也相对宽松:既不需要强电子-电子相互作用,也不需要低维度。此外,而且,似乎为了使这一观点更加明确,这些发现几乎与石墨烯中的一系列壮观观察同时发生,包括观察到分数量子霍尔效应。这是一个由sp2电子组成的系统几乎不是定义中的强关联材料但它显示了拓扑序的标志,包括无耗输运和具有分数电荷和统计的突现粒子。随着人们越来越清楚地认识到,对突现性质的研究不再局限于强关联电子体系,因此需要一种新的,更宽泛的描述。在各院系网站和研究项目中,这个词似乎正在流行,它就是“量子材料”。

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我叫王德奎,研究员,四川省绵阳日报编辑。2005年退休。曾公开出版著作7部:《三旋理论初探》(四川科学技术出版社2002年)、《解读<时间简史>》(天津古籍出版社2003年)、《求衡论---庞加莱猜想应用》(四川科学技术出版社2007年)、《嫘祖研究》(成都科技大学出版社1993年)、《中国气功思维学》(延边大学出版社1990年)、《嫘祖故里大揭秘》(伊犁人民出版社1998年)、《信息范型与观控相对界》研究专集(与刘月生等合著,河池学院学报2008年增刊第一期出版)。公开发表论文《前夸克类圈体模型能改变前夸克粒子模型的手征性和对称破缺》(华东工学院学报)、《从卡——丘空间到轨形拓扑》(凉山大学学报)、《物质族基本粒子质量谱计算公式》(大自然探索)、《模拟DNA双螺旋结构的机械孤立波》(延边大学学报)等百余篇。我住家地址是:四川省绵阳市青年路11号龙汇花园8-705号,电话:18981105919(手机),2263509(家)。
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