最高樓@寄華夏三月

君不見，萬水繞蕭天，墨彩落塵寰。

旭芒乘露施新暖，月華藏雪拂殘寒。

怎閑愁，窗外錦，總難言。

道不盡，風高疏爛漫。

看不透，雨濃遮望眼。

茍幽壑、喜嵩巒。

霞流麓藪晴將好，霧行蒼莽滃當歡。

勿爭春，重戒路，事人間。

中國科技大學陳仙輝老師曾經(jīng)詰問筆者：'什么是量子材料？如何定義？感覺什么都冠一個量子，就高大上了，就如幾年前的納米'。這一問題非常好，將這一問題作業(yè)作為本公眾號(微信號QuantumMaterials)之開篇，當屬必要而合理。

筆者以為，量子材料的標準定義可能還是一部未完待續(xù)的電視連續(xù)劇，責難的讀者有之、贊同的讀者有之、更多的讀者將會給出好的建議與批評。如此這般，將肯定是一個好的開端。正如本文開首之“最高樓”所抒懷：道不盡，風高疏爛漫；看不透，雨濃遮望眼；卻總是通過努力為量子材料這一領(lǐng)域添磚加瓦的：勿爭春，重戒路，事人間。

量子材料作為一個標準概念其實誕生得很晚。2012年知名凝聚態(tài)物理學者Joseph Orenstein在Physics Today上發(fā)表過一篇文章，文章題目是：Ultrafast spectroscopy of quantum materials (Physics Today, doi:10.1063/PT.3.1717)。雖未仔細考證，這篇文章可能算是最早正式提出這一概念并嘗試給出一個定義：

量子材料作為一個標簽，為凝聚態(tài)物理之重要前沿領(lǐng)域“強關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)”提供了另一種定義。本領(lǐng)域所涉廣泛，但其核心目標是發(fā)現(xiàn)與探索那些電子性質(zhì)用傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理教科書框架難以闡明的材料體系。Quantum materials is a label that has come to signify the area of condensed-matter physics formerly known as strongly correlated electronic systems. Although the field is broad, a unifying theme is the discovery and investigation of materials whose electronic properties cannot be understood with concepts from contemporary condensed-matter textbooks.

由Nature出版集團與南京大學及2011人工微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心合作出版發(fā)行的學術(shù)刊物《npj Quantum Materials》籌備期是2015年下半年，與Orenstein提出這一名詞相距不過三年時間。那時，我們廣泛征詢和討論的刊名是《Correlated Electron Systems》，Nature出版集團也要求我們用這一刊名。陸延青教授、王楓秋教授和我三人代表2011人工微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心造訪上海Nature出版集團辦事處，與Nature團隊協(xié)商刊物籌備。在Nature出版集團辦事處辦公室會談時，我們提出使用這一名稱，并被否決。當時我們對這一定義內(nèi)涵還不明就里?；氐侥暇┖笤僭诖蠓秶鷥?nèi)研討斟酌，才慢慢理清其內(nèi)涵。經(jīng)過多番爭取，獲得Nature出版集團首肯使用這一名稱。

維基百科上現(xiàn)在已經(jīng)有正式的定義：

量子材料覆蓋凝聚態(tài)物理之一大寬廣領(lǐng)域，以將一大類材料歸于其麾下。這類材料具有一定的量子關(guān)聯(lián)特征，或者具有特定的量子序，包括超導電性、磁序/鐵性序。那些電子性質(zhì)呈現(xiàn)“反?！绷孔有?yīng)的材料也當屬此類，例如拓撲絕緣體、狄拉克電子系統(tǒng)。那些集體行為呈現(xiàn)量子特征的系統(tǒng)如超冷原子、冷激子、極化子等等體系也可歸于此類。毫無疑問，衍生概念是量子材料研究的共同特征。Quantum materials is a broad term in condensed matter physics, to put under the same umbrella, materials that present strong electronic correlations and/or some type of electronic order (superconducting, magnetic order), or materials whose electronic properties are linked to non-generic quantum effects, such as topological insulators, Dirac electron systems such as graphene, as well as systems whose collective properties are governed by genuinely quantum behavior, such as ultra-cold atoms, cold excitons, polaritons, and so forth. A common thread in the study of quantum materials is the concept of emergence.

2016年，《Nature Physics》發(fā)表了一篇編輯評論文章(editorial)：“The rise of quantum materials”(Nature Phys. 12, 105 (2016))，其中明確提出：Emergent phenomena are common in condensed matter. Their study now extends beyond strongly correlated electron systems, giving rise to the broader concept of quantum materials. 隨后，Y. Tokura等在2017年于《Nature Physics》上發(fā)表熱點綜述文章：“Emergent functions of quantum materials”(Nature Phys. 13, 1056 (2017))，其中總結(jié)了量子材料研究發(fā)展歷程及所展現(xiàn)的一系列新穎現(xiàn)象，示于圖1。

圖1. 量子材料研究的發(fā)展歷程與衍生物理效應(yīng)(Y. Tokura et al, Nature Phys. 13, 1056 (2017))。

凝聚態(tài)物理的骨灰級人物菲利普-安德森(Philip Warren Anderson)應(yīng)該是量子材料的重要推手之一。1980年代的高溫超導和龐磁電阻材料、1990年代的重費米子體系、2000年代的多鐵性材料、最近的拓撲量子物質(zhì)等是量子材料的典型代表。由此，若干能源材料如許多熱電化合物、光能源關(guān)注的關(guān)聯(lián)化合物等也是量子材料不可或缺的研究對象。

可以看到，上述定義與《npj Quantum Materials》刊物的scope非常切合，顯示出刊物定位和發(fā)展目標較為精準，我們對相關(guān)問題的理解已經(jīng)及格(60分)。實際上，過去兩年，我們在國際學術(shù)交流的不同場合與量子凝聚態(tài)和材料的各路神仙討論過這一主題內(nèi)涵，并咨詢那些帶有“quantum materials”的研究機構(gòu)。我們覺得上述定義是合適的。當然，筆者個人認為所有基于固體電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性和量子自由度與各種序參量耦合的效應(yīng)都屬于量子材料的范疇。我也相信，這一內(nèi)涵會繼續(xù)有效，但外延應(yīng)該會有所擴展。目前的狀態(tài)與“納米”的發(fā)展脈絡(luò)顯然有所不同。圖2所示為量子材料研究對象的一種羅列方式，展示了各個topics之間強烈的關(guān)聯(lián)特征。

圖2. 量子材料所關(guān)注的研究對象，展示了各個topics之間強烈的關(guān)聯(lián)特征(http://homepage./cesare.franchini/)。

謝謝各位關(guān)注刊物《npj Quantum Materials》，她會是量子材料這一寬廣領(lǐng)域的載體，其網(wǎng)站地址是：https://www./npjquantmats/.  我們期待各位老師和同學積極投稿和宣傳。我們再一次宣稱我們的態(tài)度是：勿爭春，重戒路，事人間。毋庸諱言，我們很大程度上依賴于諸如仙輝老師等各位老師同學給我們保駕護航。

備注：首頁視圖來自于https://www.fmq./en/takagi-group/takayama_group/