作者：江穎（北京大學物理學院量子材料科學中心教授、北京懷柔科學城輕元素量子材料交叉平臺負責人），邊珂（北京大學物理學院量子材料科學中心副研究員）

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

       量子材料是指其物性不受經(jīng)典物理規(guī)律支配,表現(xiàn)出不尋常量子效應的材料。通常而言，量子材料存在量子關聯(lián)、量子序、量子漲落和量子相干等新奇性質。自分子束外延、極低溫、超高壓、超高真空等實驗技術發(fā)展以來，以重元素為構筑單元或摻雜成分的量子材料已被證實具有高溫超導、拓撲物態(tài)、量子反?；魻栃绕娈愇镄?。探索這類材料有望突破經(jīng)典材料的應用邊界,發(fā)展新一代量子器件并催生顛覆性技術。同時，量子材料也是實現(xiàn)量子計算和超低功耗電子學器件的重要基石。

二維冰的核量子效應 作者供圖

       突破“脆弱”瓶頸，產生新奇量子物態(tài)

       盡管量子材料展現(xiàn)出廣闊的應用前景，但它卻非?！按嗳酢?，其量子特性的維持通常依賴于低溫、高壓、真空等極端條件,且合成成本高,嚴重制約了實際應用。氫、氦、鋰、硼、碳、氮……這些活躍在化學元素周期表前列的輕元素，擁有自旋—軌道耦合弱、核量子效應強、能隙大、化學鍵強、自然豐度高等獨特優(yōu)勢，有可能幫助量子材料突破“脆弱”瓶頸。

       例如，超導現(xiàn)象是指材料在一定溫度之下完全失去電阻，變成零電阻的導體，可實現(xiàn)無損耗的輸電、高效的電動機、高密度的儲能等電力方面的應用。超導態(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大氣壓條件下存在近室溫的超導性質。盡管近室溫超導的實現(xiàn)需要極端高壓條件，但人們開始認識到，輕元素材料是最有希望實現(xiàn)室溫超導的選擇之一。

       一般認為，由于重元素的原子核質量較大，在波恩—奧本海默近似條件下只需要考慮電子的量子效應，原子核被當作經(jīng)典粒子處理。然而，對于以氫為代表的輕元素體系，其原子核也存在很強的量子效應，這時候就需要突破傳統(tǒng)，將電子和原子核同時量子化，從而產生奇特的核量子效應。最近有研究發(fā)現(xiàn)，核量子效應可大幅降低富氫體系達到超導態(tài)所需的高壓?？茖W家們不禁開始思考，通過調控輕元素材料的核量子效應，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調控，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缺陷。這類缺陷已被證實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；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交叉融合?？傊?，輕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)代半導體制造工藝和先進表征設備的飛速發(fā)展，以原子級精度創(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。因此輕元素材料已成為室溫環(huán)境下實現(xiàn)量子計算機和量子精密測量的優(yōu)勢備選材料。

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

       事實上，輕元素材料在人類生產生活中十分常見。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)定的物理化學性質，上述材料早已成為重要的工業(yè)原料。

       但直到最近，人們才逐漸認識到輕元素材料具備獨特的物理性質，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現(xiàn)魯棒的宏觀量子態(tài)，實質性推進量子材料的落地和在信息、能源、環(huán)境、生物等領域的實際應用，具有巨大的應用前景。

       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多種類過渡元素和重元素摻雜的試錯成本。然而需要強調的是，元素種類的高度確定性并不意味著其量子特性的平庸。從實際應用角度來看，輕元素材料更容易進行豐富且精準的構筑和調控。例如，基于碳基前驅分子可以“自下而上”地精準構筑多種低維量子材料，而借助異質結、轉角和超晶格調控等表/界面調控技術，則催生出大量具有非平庸電學和光學性質的新型輕元素二維量子材料。盡管從原子尺度設計、構筑、闡釋、調控輕元素材料量子物性的整體技術尚處于初步發(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控和制備才迎來了新生機。此外，輕元素的自然豐度高、原料獲取難度低，對進一步推進輕元素量子材料規(guī)?；a及應用至關重要。

       室溫常壓下的超導、固態(tài)量子計算等方向雖然還屬于未來技術，但我們依然可以基于當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路線。首先，應針對輕元素量子材料開發(fā)先進的創(chuàng)制與表征設備，尤其需要發(fā)展針對輕元素原子核敏感的表征或調控方法。進一步，借助輕元素的獨特物理特性，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產業(yè)化。最后，還需要設立輕元素量子材料的公共研究平臺，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。

       全新范式的先進量子材料是屬于未來的技術和產業(yè)

       近年來，國內多家研究機構和高校，紛紛將以輕元素為主題的量子材料作為重點研究對象，并著手布局輕元素量子材料及其量子器件的發(fā)展和產業(yè)化。

       在先進表征技術研發(fā)方面，近年來，北京大學和中國科學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，同時結合量子傳感和人工智能等前沿技術，力圖突破傳統(tǒng)表征手段的瓶頸，成功研發(fā)出針對氫、硼、碳、氮等各類輕元素敏感的先進表征手段并完成國產化，實現(xiàn)了空間、時間、能量、電場、磁場等多個物理維度的精密測量，為探索輕元素量子材料新奇物性的微觀起源打下堅實基礎。

       在先進調控技術研究方面，富氫體系氫鍵的對稱化是實現(xiàn)超導電性的重要條件，通常需要超高壓條件。近期，北京大學科研團隊通過調控核量子效應，在表面上實現(xiàn)了二維冰的對稱氫鍵構型，為近常壓條件下實現(xiàn)超離子態(tài)甚至超導態(tài)提供了可能。雖然通過調控輕元素的核量子效應，實現(xiàn)百萬個大氣壓量級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)的實用化研究提供了新的思路。

       在先進材料制備工藝方面，系統(tǒng)清晰地研究和調控量子材料的某種優(yōu)勢性能，往往需要在苛刻的實驗室條件下實現(xiàn)。為了真正發(fā)揮輕元素量子材料的應用價值和經(jīng)濟效益，要同步摸索與工業(yè)兼容的制備工藝。北京大學多年來專攻輕元素二維材料的高質量和規(guī)模化生長方案，在單晶輕元素材料方向均發(fā)展出全新的生長技術。例如，實現(xiàn)了分米級高質量的六方氮化硼單晶和厘米級菱方氮化硼單晶的制備，并將上述成果孵化企業(yè)，加速推動輕元素量子材料的產業(yè)化進程。

       在推進平臺建設方面，由北京市政府和北京大學共建的輕元素量子材料交叉研究平臺已在懷柔科學城揭牌運行。該平臺是世界上首個國際化、規(guī)模最大、設施最齊全的輕元素材料綜合研究中心，將打造針對新型輕元素材料預測、表征、制備與產業(yè)化的完整鏈條。該平臺不僅與懷柔科學城的高能同步輻射光源、綜合極端條件等多個大型科學設施和交叉平臺緊密合作，也鼓勵對外開放共享，希望集聚國內外優(yōu)勢力量共同推動這一頗具前景的研究方向。

       發(fā)掘和運用輕元素材料的獨特物性，使其突破現(xiàn)有量子材料的應用瓶頸，沒有現(xiàn)成的發(fā)展藍圖。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體等現(xiàn)有產業(yè)不同，輕元素量子材料的發(fā)展和探索屬于未來產業(yè)。近年來已有不少國家開始轉向這一賽道，如芝加哥大學的Q-NEXT量子中心就將各種輕元素材料中的固態(tài)量子比特作為焦點研究方向。這意味著我們需要直面科學難題，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，提前布局發(fā)展全新范式的先進量子材料，既是挑戰(zhàn)，也是改變現(xiàn)有量子科技領域格局，引領國際潮流的巨大機遇！

《光明日報》（2024年08月22日 16版）