量子物质与应用前沿领域的关键科学、技术问题和发展方向

作者: 陈仙辉

来源: 科学人文在线

发布日期: 2023-11-03

量子物质与应用前沿领域是一个基础性和应用性都很强的科学领域,涵盖超导与强关联体系、拓扑量子物态体系、低维量子体系、多自由度耦合量子物态体系、极端条件下的新奇量子物态以及量子物质的探索与合成六个方向。

“量子物质”首次作为专业术语出现在论文中是在20世纪90年代。在2010年前后,这个概念开始较为广泛地出现于论文和学术活动之中。可以看到,“量子物质”是一个相对新颖的概念,它的内涵也在过去十年中不断得到扩展。

根据自身物理规律的特质以及与不同应用领域的融合情况,可将量子物质与应用这一前沿领域分为超导与强关联体系、拓扑量子物态体系、低维量子体系、多自由度耦合量子物态体系、极端条件下的新奇量子物态以及量子物质的探索与合成六个方向。这六个方向既有各自的研究特点,又相互联系、相互促进。

量子物质和应用前沿领域立足于对物质微观世界中基本规律的探索,着眼于先进功能材料、量子现象和器件的实际应用,是一个基础性和应用性都很强的科学领域。目前,国际上量子物质领域总体仍处于基础研究全面开展和产业应用的培育阶段,未来十年是有望实现多点突破的关键时期。

一、超导与强关联体系

超导电性是宏观量子相干现象,该领域最重要的科学问题包括:①高转变温度乃至室温超导的实现;②非常规高温超导机理的理解;③超导的低成本和大规模应用。

二、拓扑量子物态体系

目前,人们已经发现了相当数目的拓扑量子材料,其中大部分属于弱关联拓扑绝缘体和拓扑半金属。拓扑材料的高通量计算和非磁性拓扑电子材料数据库的建立,改变了领域内的研究生态。

三、低维量子体系

目前国际上低维量子体系的研究总体仍处于基础研究阶段,部分材料体系(如碳纳米管、石墨烯、二维硫族化合物等)正迈向产业应用的培育阶段。

四、多自由度耦合量子物态体系

结合国家需求和领域发展前景,立足固体中电子与相关物理自由度间的关联,多自由度耦合量子物态体系应为优先布局发展的方向。

五、极端条件下的新奇量子物态

极端实验条件,是已知与未知之间的边界,极端条件下对量子物态研究的深度,取决于实验对新参数空间和新实验方法的开拓能力。

六、量子物质的探索与合成

新型量子材料的探索与合成往往是量子物质领域研究的突破口,并对相关科学技术起到决定性作用。

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