中國粉體網(wǎng)訊  近日，據(jù)科技日報(bào)報(bào)道，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)，層狀二維材料六方氮化硼（hBN）中的“單原子缺陷”可以將量子信息在室溫下保留幾微秒。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)槟軌蛟诃h(huán)境條件（室溫）下?lián)碛辛孔有再|(zhì)的材料十分罕見，此次發(fā)現(xiàn)還凸顯了二維材料在推進(jìn)量子技術(shù)方面的潛力。

圖片來源：埃莉諾·尼科爾斯/劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室

全球力推量子技術(shù)發(fā)展

據(jù)中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心專家分析，量子科技是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的必爭領(lǐng)域之一，它將催生一系列新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和國家安全都將產(chǎn)生重大影響。例如量子計(jì)算將加速新藥開發(fā)、破解加密算法、人工智能和金融發(fā)展等；量子通信所具有的高安全性，可廣泛應(yīng)用于對(duì)信息安全要求很高的領(lǐng)域，例如軍事國防、政務(wù)、金融和互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)等。

隨著第二次量子革命的到來，美國、歐盟、英國、日本和俄羅斯等將量子作為科技發(fā)展的重要方向，紛紛制定量子戰(zhàn)略，加大研發(fā)投入，以搶占技術(shù)制高點(diǎn)。各國通過出臺(tái)政策文件、成立協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、政府部門分工協(xié)作、設(shè)立量子研究機(jī)構(gòu)等多種方式加大對(duì)量子研發(fā)的投資，促進(jìn)量子科技研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

為搶占量子科技的制高點(diǎn)，中國已將量子科技提升至國家戰(zhàn)略高度。近年來中國出臺(tái)了一系列相關(guān)政策，并逐步加大支持。在“十三五”國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃中，中國將量子信息技術(shù)作為體現(xiàn)國家戰(zhàn)略意志的重大科技項(xiàng)目之一。

2016年國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略將量子信息技術(shù)列入發(fā)展引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。中國2016年設(shè)立了量子調(diào)控與量子信息重點(diǎn)專項(xiàng)，2020年圍繞關(guān)聯(lián)電子體系和量子通信兩方面繼續(xù)部署項(xiàng)目。2017年，中國通過“十三五”科技軍民融合發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃推動(dòng)了包括量子計(jì)算在內(nèi)的新一輪軍民融合重大科技項(xiàng)目論證與實(shí)施。2019年12月中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出加快量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，統(tǒng)籌布局和規(guī)劃建設(shè)量子保密通信干線網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)無縫對(duì)接，開展量子通信應(yīng)用試點(diǎn)。

2020年10月，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，中共中央總書記習(xí)近平強(qiáng)調(diào)要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。

量子材料研究任重道遠(yuǎn)

量子材料作為一類新興的功能材料，關(guān)于它的研究也正在快速崛起。不同于傳統(tǒng)材料主要依賴原子或分子級(jí)別的相互作用，量子材料的基本特性主要是由電子等基本粒子之間的量子效應(yīng)所決定的，并且取決于材料的對(duì)稱性、維度以及電子的關(guān)聯(lián)性質(zhì)、拓?fù)湫再|(zhì)等內(nèi)稟性質(zhì)，為現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)極好的研究平臺(tái)。

可觀測到的量子效應(yīng)賦予了量子材料獨(dú)特的光、電、磁等性能以及通過外場對(duì)材料性質(zhì)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)量子效應(yīng)進(jìn)行操控的誘人可能，使得其在電子器件、信息技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)北京航空航天大學(xué)的專家介紹，量子效應(yīng)是量子材料中最重要和最基本的物理現(xiàn)象，是理解量子材料中各種奇特物理特性和現(xiàn)象的基礎(chǔ)，它揭示了量子材料在微觀尺度上的運(yùn)行機(jī)理。根據(jù)量子力學(xué)，在微觀世界中經(jīng)典物理不再適用而要遵循量子理論。在宏觀世界里，量子力學(xué)的一些特性和效應(yīng)仍然可以顯現(xiàn)出來。著名的例子是凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)核心地位的超導(dǎo)現(xiàn)象。

在常規(guī)超導(dǎo)體的BCS理論解釋中能夠發(fā)現(xiàn)：首先，庫珀對(duì)在超導(dǎo)體中具有宏觀數(shù)量；其次，庫珀對(duì)占有單一的電子態(tài)，具有和微觀粒子相同的量子力學(xué)性質(zhì)。這種宏觀數(shù)量是微觀粒子在宏觀尺度上的行為，可以稱為宏觀量子態(tài)或者宏觀波函數(shù)，因此我們說超導(dǎo)是宏觀世界的量子行為，超導(dǎo)電性是在宏觀尺度上表現(xiàn)出的量子效應(yīng)。

常規(guī)超導(dǎo)體中庫珀對(duì)相互作用的示意圖

其他一些容易在材料中被觀測或者觀察的量子效應(yīng)還有量子隧穿效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)等。這些量子效應(yīng)極大地影響了量子材料的各種性質(zhì)，如電導(dǎo)率、光學(xué)性質(zhì)、磁性等，而利用這些量子效應(yīng)可以設(shè)計(jì)出各種功能的量子材料。

近年來，隨著對(duì)量子領(lǐng)域研究的不斷深入，越來越多的量子材料被發(fā)現(xiàn)或制備成功，尤其是至少有一個(gè)維度上的尺寸為納米尺度的低維材料體系。低維量子材料的尺寸非常小，會(huì)引起許多新奇的量子效應(yīng)，因此低維量子材料是一個(gè)非常理想的量子研究平臺(tái)。

典型的低維量子材料包括：零維的鈣鈦礦式量子點(diǎn)、過渡金屬二硫化物量子點(diǎn)、碳量子點(diǎn)等；一維的碳納米管等；二維的石墨烯等；二維以及三維的拓?fù)淞孔硬牧系�。這些量子材料的研究為開發(fā)新一代的光電子學(xué)、精密測量、量子計(jì)算等技術(shù)提供了可能，吸引了無數(shù)的目光。

一維量子材料中，電子只能在一個(gè)維度中運(yùn)動(dòng)，如納米管、納米線等。1991年，日本物理學(xué)家Sumio Iijima在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)碳納米管，它獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)使其兼容了硬度和柔韌性，受到研究人員的廣泛關(guān)注。并且，由于一維納米材料中極強(qiáng)的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，以碳納米管為代表的一維材料也被廣泛地用于研究一些一維下的獨(dú)特量子效應(yīng)。

二維材料指的是厚度在納米尺度的材料，它們在二維空間內(nèi)表現(xiàn)出獨(dú)特的量子效應(yīng)。其中，以石墨烯、硅烯、鍺烯、黑磷、過渡金屬硫族化合物等為代表的二維材料展示出豐富的新奇物性，并且具有包含拓?fù)浣^緣體、整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、非常規(guī)超導(dǎo)在內(nèi)的一系列量子現(xiàn)象，極大地豐富了現(xiàn)代凝聚態(tài)物理的理論，是當(dāng)前多個(gè)學(xué)科和交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)。

二維材料的量子自旋霍爾效應(yīng)示意圖

二維材料中的石墨烯具有的特殊結(jié)構(gòu)賦予了它獨(dú)特的物理性質(zhì)，如高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高透光率、高強(qiáng)度和超大比表面積等，而這些性質(zhì)為其在電極材料、熱管理、復(fù)合材料和吸附檢測材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的性能支撐。此外，石墨烯中的載流子在狄拉克點(diǎn)附近表現(xiàn)為無質(zhì)量的費(fèi)米子，具有很高的遷移率，因此在室溫條件下，也能在石墨烯中觀測到量子霍爾效應(yīng)。

石墨烯作為第一種被發(fā)現(xiàn)的二維量子材料，展示出許多獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸性質(zhì)，為二維量子材料的研究打開了新的視野。但是，由于石墨烯沒有帶隙，并且很難實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，這極大地限制了其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

作為石墨烯硼氮代替物的二維材料六方氮化硼，由于其機(jī)械、電氣、光學(xué)、化學(xué)和物理性能、熱穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率、低密度、大量結(jié)構(gòu)缺陷、大表面積、寬帶隙半導(dǎo)體性能、低介電常數(shù)、較低電容率、良好的絕緣性能、優(yōu)異的化學(xué)惰性、高抗熱震性和優(yōu)異的腐蝕性等，與石墨烯一樣被廣泛研究及應(yīng)用。

六方氮化硼粉體

深入探索低維量子材料的基本物理原理，理解其量子效應(yīng)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系，不僅能推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展，也將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)取得重大進(jìn)展，對(duì)人類未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。盡管目前低維量子材料的研究還面臨很多基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但相信在未來，科學(xué)家們會(huì)不斷戰(zhàn)勝困難與挑戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)和制備出更多新奇、有用的量子材料，為其他技術(shù)和領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路。

參考來源：

李柯仁等：低維量子材料的研究進(jìn)展，北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院

鄒麗雪等：量子科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究，中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心

李豐印：新型窄帶隙低維度氮化硼材料的理論設(shè)計(jì)與研究，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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