“轻”改造，让量子材料不“脆弱”
冯杰
2024年09月14日 03:05
江颖 边珂
光明日报（ 2024年08月22日 16版）以量子材料为基石，突破传统硅基半导体材料，驱动颠覆性量子科技发展，这是科学家的愿望。展望未来，基于先进量子材料的世界将是什么样？超低能耗、超精密测量、超高智能的生产生活方式能否实现？现如今，以轻元素为构筑单元的新型量子材料，正逐渐从科幻走向现实。
量子材料是指其物性不受经典物理规律支配,表现出不寻常量子效应的材料。通常而言，量子材料存在量子关联、量子序、量子涨落和量子相干等新奇性质。自分子束外延、极低温、超高压、超高真空等实验技术发展以来，以重元素为构筑单元或掺杂成分的量子材料已被证实具有高温超导、拓扑物态、量子反常霍尔效应等奇异物性。探索这类材料有望突破经典材料的应用边界,发展新一代量子器件并催生颠覆性技术。同时，量子材料也是实现量子计算和超低功耗电子学器件的重要基石。
突破“脆弱”瓶颈，产生新奇量子物态
尽管量子材料展现出广阔的应用前景，但它却非常“脆弱”，其量子特性的维持通常依赖于低温、高压、真空等极端条件,且合成成本高,严重制约了实际应用。氢、氦、锂、硼、碳、氮……这些活跃在化学元素周期表前列的轻元素，拥有自旋—轨道耦合弱、核量子效应强、能隙大、化学键强、自然丰度高等独特优势，有可能帮助量子材料突破“脆弱”瓶颈。
例如，超导现象是指材料在一定温度之下完全失去电阻，变成零电阻的导体，可实现无损耗的输电、高效的电动机、高密度的储能等电力方面的应用。超导态通常出现在低温环境中，然而最近的研究发现，富含氢元素的化合物材料在上百万个大气压条件下存在近室温的超导性质。尽管近室温超导的实现需要极端高压条件，但人们开始认识到，轻元素材料是最有希望实现室温超导的选择之一。
一般认为，由于重元素的原子核质量较大，在波恩—奥本海默近似条件下只需要考虑电子的量子效应，原子核被当作经典粒子处理。然而，对于以氢为代表的轻元素体系，其原子核也存在很强的量子效应，这时候就需要突破传统，将电子和原子核同时量子化，从而产生奇特的核量子效应。最近有研究发现，核量子效应可大幅降低富氢体系达到超导态所需的高压。科学家们不禁开始思考，通过调控轻元素材料的核量子效应，是否可以在近常压环境，观察到超高压条件下才能出现的量子现象？因此，轻元素体系的核量子效应调控，为环境友好的新奇量子物态探索和新型量子器件研发提供了全新思路。
不仅如此，以金刚石和氮化硼等为代表的轻元素材料中，存在种类丰富的原子级缺陷。这类缺陷已被证实可用作高性能的固态量子比特或量子探针。一方面，上述缺陷与材料的自旋—轨道耦合相互作用较弱，极大程度抑制了量子比特相干性的弛豫效应；另一方面，轻元素材料可具备较大的能隙，容易形成荧光效率较高的发光色心，从而易与成熟的光量子操纵技术交叉融合。总之，轻元素材料所搭载的固态量子比特，在室温条件下，就具备优越的量子相干性、量子态可操作性和可读性。随着现代半导体制造工艺和先进表征设备的飞速发展，以原子级精度创制固态量子比特以及搭建量子芯片的愿望正逐步成为现实。因此轻元素材料已成为室温环境下实现量子计算机和量子精密测量的优势备选材料。
轻元素量子材料有望在室温和常压下实现鲁棒量子态
事实上，轻元素材料在人类生产生活中十分常见。如石墨、金刚石、氮化硼等都是自然界中存在已久的天然材料。鉴于其稳定的物理化学性质，上述材料早已成为重要的工业原料。
但直到最近，人们才逐渐认识到轻元素材料具备独特的物理性质，可在电子和原子核“全量子化”框架下探索新奇量子态，并有望在室温和常压下实现鲁棒的宏观量子态，实质性推进量子材料的落地和在信息、能源、环境、生物等领域的实际应用，具有巨大的应用前景。
相较于传统量子材料，轻元素量子材料的元素种类范围小、确定性高，可大幅降低研究人员对多种类过渡元素和重元素掺杂的试错成本。然而需要强调的是，元素种类的高度确定性并不意味着其量子特性的平庸。从实际应用角度来看，轻元素材料更容易进行丰富且精准的构筑和调控。例如，基于碳基前驱分子可以“自下而上”地精准构筑多种低维量子材料，而借助异质结、转角和超晶格调控等表/界面调控技术，则催生出大量具有非平庸电学和光学性质的新型轻元素二维量子材料。尽管从原子尺度设计、构筑、阐释、调控轻元素材料量子物性的整体技术尚处于初步发展阶段，但正因轻元素材料的元素种类具有确定性和可操作性，以量子材料为基石的量子芯片和量子器件的高效调控和制备才迎来了新生机。此外，轻元素的自然丰度高、原料获取难度低，对进一步推进轻元素量子材料规模化生产及应用至关重要。
室温常压下的超导、固态量子计算等方向虽然还属于未来技术，但我们依然可以基于当前轻元素材料体系已有的研究成果制定出高可行性的技术路线。首先，应针对轻元素量子材料开发先进的创制与表征设备，尤其需要发展针对轻元素原子核敏感的表征或调控方法。进一步，借助轻元素的独特物理特性，探索新方法和新途径，突破维持量子物性所需的极端高压和低温环境的限制。此外，还应该开发通用的轻元素材料生长方法，努力将其推向规模化与产业化。最后，还需要设立轻元素量子材料的公共研究平台，通过建立共享式的高端科研合作工作室，高效整合并利用科技资源，加快量子器件的发展步伐。
全新范式的先进量子材料是属于未来的技术和产业
近年来，国内多家研究机构和高校，纷纷将以轻元素为主题的量子材料作为重点研究对象，并着手布局轻元素量子材料及其量子器件的发展和产业化。
在先进表征技术研发方面，近年来，北京大学和中国科学院物理研究所等单位自主发展了高分辨扫描探针显微镜、扫描透射电镜、非线性光谱等高分辨表征技术，同时结合量子传感和人工智能等前沿技术，力图突破传统表征手段的瓶颈，成功研发出针对氢、硼、碳、氮等各类轻元素敏感的先进表征手段并完成国产化，实现了空间、时间、能量、电场、磁场等多个物理维度的精密测量，为探索轻元素量子材料新奇物性的微观起源打下坚实基础。
在先进调控技术研究方面，富氢体系氢键的对称化是实现超导电性的重要条件，通常需要超高压条件。近期，北京大学科研团队通过调控核量子效应，在表面上实现了二维冰的对称氢键构型，为近常压条件下实现超离子态甚至超导态提供了可能。虽然通过调控轻元素的核量子效应，实现百万个大气压量级的等效高压仍然十分困难，但此研究为超高压下量子物态的实用化研究提供了新的思路。
在先进材料制备工艺方面，系统清晰地研究和调控量子材料的某种优势性能，往往需要在苛刻的实验室条件下实现。为了真正发挥轻元素量子材料的应用价值和经济效益，要同步摸索与工业兼容的制备工艺。北京大学多年来专攻轻元素二维材料的高质量和规模化生长方案，在单晶轻元素材料方向均发展出全新的生长技术。例如，实现了分米级高质量的六方氮化硼单晶和厘米级菱方氮化硼单晶的制备，并将上述成果孵化企业，加速推动轻元素量子材料的产业化进程。
在推进平台建设方面，由北京市政府和北京大学共建的轻元素量子材料交叉研究平台已在怀柔科学城揭牌运行。该平台是世界上首个国际化、规模最大、设施最齐全的轻元素材料综合研究中心，将打造针对新型轻元素材料预测、表征、制备与产业化的完整链条。该平台不仅与怀柔科学城的高能同步辐射光源、综合极端条件等多个大型科学设施和交叉平台紧密合作，也鼓励对外开放共享，希望集聚国内外优势力量共同推动这一颇具前景的研究方向。
发掘和运用轻元素材料的独特物性，使其突破现有量子材料的应用瓶颈，没有现成的发展蓝图。轻元素量子材料在国际上属于新兴方向，需要持续探索。与充满激烈竞争的半导体等现有产业不同，轻元素量子材料的发展和探索属于未来产业。近年来已有不少国家开始转向这一赛道，如芝加哥大学的Q-NEXT量子中心就将各种轻元素材料中的固态量子比特作为焦点研究方向。这意味着我们需要直面科学难题，勇于探索“无人区”，并逐步摸索出最适合我国国情的科技路线。因此，以轻元素为着手点，提前布局发展全新范式的先进量子材料，既是挑战，也是改变现有量子科技领域格局，引领国际潮流的巨大机遇！
（作者分别系北京大学物理学院量子材料科学中心教授、北京怀柔科学城轻元素量子材料交叉平台负责人，北京大学物理学院量子材料科学中心副研究员）