在過去的100年裡面，與超導相關研究
已經有5次共10個人獲得諾貝爾獎，但是超導仍然有很大的挑戰。
陳仙輝· 中國科學院院士
格致論道第97期 | 2023年5月27日 北京
大家好，我是陳仙輝。非常高興有機會來介紹《中國量子物質與應用2035發展戰略》研究報告。
我的演講題目是《量子物質中的演生現象和應用》。量子物質中的演生現象屬於物理學裡面凝聚態物理範疇，通俗講就是材料物理，當然它比材料物理要廣泛，它研究的是宏觀物質中的物態和量子現象。
▲ 資訊技術的四大關鍵技術
凝聚態物理的成果已經被大家所熟悉。在資訊技術裡面有4個門類：資訊的處理、資訊的儲存、資訊的顯示和資訊的傳輸。
大家都有手機，手機裡資訊的處理就基於凝聚態物理裡面電晶體的發現，曾在1956年被授予諾貝爾獎，還有積體電路2000年被授予諾貝爾獎。資訊的存讀也是基於凝聚態科學的基礎研究巨磁阻效應，在2007年獲得諾貝爾獎。還有資訊的顯示，液晶是1991年獲諾貝爾獎，前幾年還有藍光LED也被授予諾貝爾獎。還有資訊的傳輸所用的光纖是2009年獲得諾貝爾獎，華裔科學家高錕做了貢獻。
▲ 物理學發展的兩個維度
物理研究有兩個維度。縱向就是還原論的科學思想：只要我們了解和懂得了構成這個世界物質的基本單元，就可以把它的規律都搞清楚。就像我們現在知道分子是由原子組成，原子是由原子核和核外電子組成，再往裡面有夸克等等。
但事實並不是這樣的。我們知道了這些基本元素，並不能把物質世界裡面的所有規律都能弄清楚。
▲ 菲利普·安德森（Philip W. Anderson）
演生物理的出現是在1972年，偉大的物理學家也是諾貝爾獎獲得者菲利普·安德森（Philip W. Anderson）寫過一篇文章More is different，翻譯成中文就是複雜程度不一樣、它的物理規律就不一樣。
這就跟還原論不一樣。我們把這一套哲學思想就是研究科學方法稱作為演生論。演生論是什麼意思呢？它指在複雜的每一個層次都會呈現出全新的性質，並不是由構成這個物質的最基本的單元的性質所決定。安德森講道：為了理解這些新的行為所需要做的研究，就其基礎性來講，與其他的研究相比毫不遜色。
他講這句話是在1972年，那時候高能物理跟粒子物理是非常非常熱的，而凝聚態物理在物理裡面是講不清楚的，所以安德森就寫下了這句我們凝聚態物理的格言。這就是我們物理學哲學的兩個思想。
什麼是量子材料？
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我今天要談的是物質。量子物質翻譯成英文可以是「quantum matter」，也可以是「quantum materials」（量子材料）。
量子材料的概念始於上個世紀80年代兩個偉大的發現：一個就是1986年的銅氧化物高溫超導體，還有一個就是1980年和1982年的整數和分數量子霍爾效應。
上世紀80年代之前，物理研究的物質世界就是核外電子跟晶格振動，那時候電子被認為是自由電子，所以就有一個正規化。在這個正規化裡用能帶結構和朗道-費米液體理論來處理就可以了。
但是由於這兩個偉大的發現，就引入了拓撲的概念，還有電子關聯，當然還跟維度有關係。所以量子材料就是裡面有很強的電子的關聯、有拓撲性質，還有維度引起的量子效應的材料。
▲ 量子材料的6個方向
為了討論學科戰略規劃，我們在這套書中將量子材料分為了6個方向，就是超導和強關聯體系、拓撲量子物態體系、低維量子體系、多自由度耦合量子物態體系、極端條件下新奇量子物態以及量子物質的合成和探索。
▲關聯電子體系的演生現象
這張圖展現了從上世紀80年代到現在再到將來的發展，出現了很多新的學科，比如拓撲電子學、量子計算、室溫超導，還有一個莫特電子學（mottronics），在電子學方面有很大的突破。由於關聯電子體系，就出現了很多原來沒有觀察到的物理現象，像自旋有序、電荷有序、超導軌道序、電子液晶相等等。
▲演生物態和相關的演生粒子
還有一個有意思的事情，就是在這些特殊的物態裡面會出現相關的演生粒子。在凝聚態物質裡面，就是原子核、核外電子就這兩部分，原子核構成的晶格的振動我們用一種準粒子聲子的概念來描述，而電子就是自由電子。但是磁性材料裡面又有磁子的概念。像氦-3、氦-4還有超流現象，就是無阻地流動，有聲子和旋子這些準粒子概念。超導裡面也有一個準粒子，是什麼呢？它的描述的粒子就是庫珀對，要兩個電子形成一對，從原來兩個費米子變成一個玻色子。
那麼量子材料出現以後，對傳統的理論提出挑戰、就是我講的對朗道-費米液體理論提出挑戰。從原來的費米體系到現在的玻色體系，甚至複合的一些準粒子體系等等，從原來的三維到低維和界面的問題，出現了很多新的一些物理。
▲量子材料的特徵 Philip W. Anderson: More is different (1972)
那在這樣一個量子材料特徵裡面，它會出現很多演生現象，就是出現很多物理的態。像量子反常霍爾效應、自旋霍爾效應、高溫超導、巨磁電阻、金屬-絕緣體相變、多鐵與磁電耦合，這些都是一些新的物理態。
更有意思的是，剛才我講到了，在物質裡面我們研究的就是電子和聲子，當然電子有兩個屬性，它帶有自旋也有電荷，同時不同的元素的核外電子的軌道也不一樣。但總而言之，原來我們用朗道-費米液體理論，就是用的一個準粒子的概念。
但由於出現這些演生現象，就會在我們的凝聚態物質的研究中，發現這些量子態裡面有狄拉克費米子、外爾費米子、馬約拉納費米子、磁單極子、斯格明子。而這些粒子是高能物理和粒子物理他們認為是應該存在於自然界的粒子，但一直沒有觀察到。反而是在物質科學出現的很多量子態裡面需要這樣一些準粒子，而這些準粒子的性質跟真實的他們研究的粒子的性質是完全一樣，所以出現新的物理。
量子材料有哪些應用？
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現在講講量子物理的應用。假設磁性材料可以作為資訊的儲存，超導和拓撲可以作為低能耗的電子學做現在的量子計算，那麼低維材料可以作為新型量子器件。
▲Y. Tokura et al., Nature Physics13, 1056–1068 (2017)
量子計算有方案，有超導量子計算、拓撲量子計算，就是基於這樣一些新物理。
還有一個摩爾定律。畢竟到現在積體電路受到很大的挑戰，面臨眾多瓶頸。現在的半導體積體電路已經進入亞10奈米的技術節點，非常接近物理的極限，在這個情況下它的應用方面存在3大瓶頸：一個是功耗瓶頸，一個是速度瓶頸，還有一個是製造瓶頸。
製造瓶頸方面我們都有所耳聞，像我們現在被「卡脖子」的曝光機，要做到這麼小的亞10奈米的技術節點，所需要的進行光刻的光源的波長就必須要小於這個，否則達不到這樣的解析度，做不好這樣的器件，就會有製造瓶頸。
還有一個就是功耗瓶頸。根據2021年的資料，我們國家的大資料中心所消耗的電費佔全國能耗的6%，並且據說還在以8%的速度增長。現在的人工智慧也都要基於大資料計算。按這樣的發展趨勢，能耗問題如何解決，這是我們科學家應該思考的問題。所以我們急需發展新一代的低能耗的資訊技術。
那麼實際上我們這個領域的科學家在很早就已經開始研究磁性半導體。為什麼要研究磁性半導體？我們現在的電晶體的原理是通過電場控制電流，調控的是電子，但電子的相互作用能量很高。
如果我們有辦法來調控電子的另一個屬性——自旋的話，它的能量可以低3-4個量級，這樣的話我們的功耗就可以大幅度降下來。而且可以研製出像非易失儲存器、存算一體、類腦計算等等。這就需要基於量子材料發展自旋電子學、拓撲電子學、磁電耦合，但是目前為止還在研究中。
▲ 左：整數量子霍爾效應 Klitzing 1985
右：分數量子霍爾效應 Laughlin Störmer Tsui 1998
拓撲本來是一個數學概念，凝聚態物質從一個物態到另外一個物態變化的時候，原來是用對稱性來描述。像冰、水都是水，但是固態的水跟液態的水的對稱性是不一樣的，固態的對稱性更高。但是現在有些物質，尤其是量子霍爾效應發現以後，用對稱性不能描述物態之間的變化，必須要有拓撲的不變數，就出現新的物理。
拓撲量子態的特點是無損耗的輸運、拓撲的穩定性、手性反常並且有非阿貝爾統計。剛才講的量子計算裡面，不管是超導的也好、拓撲的也好，必須滿足非阿貝爾統計才能往下走。所以拓撲量子體系具有非常豐富和新穎的物理現象，並孕育著革命性的技術的發展。
那舉一個石墨烯的例子。石墨烯就是石墨的單層，而石墨是一個普通的物質材料，它的性質可以用朗道-費米液體理論來描述。但是單層以後，雖然物質完全一樣，它就變成一個拓撲材料，是一個無能隙的狄拉克費米子，所以它有非常奇特的性能。
▲ 左：Room-temperature QHE
右：FQHE
它有非常好的遷移率和熱導，它的電阻比金屬銀的電阻率還要低，這是一個極其反常的性質，這些都源於它的拓撲。當時我們想降低矽材料的功耗，對石墨烯寄予很大的厚望，但是非常遺憾，發現它沒有能隙，不能構成半導體。
▲ 黑磷場效應電晶體的發現
我們跟復旦大學張遠波團隊發現了另一類半導體材料黑磷，這樣的一些量子材料它有能隙，而且從0.3-1.8電子伏特（eV）可調，可以作為未來的半導體材料的一個候選。
▲ 量子反常霍爾效應
所以拓撲物態的重要性，從基礎到應用有3個方面：第一，存在磁性、超導等多關聯效應的拓撲體系；第二，打破了傳統的「體邊對應原理」的新拓撲物態，如非厄米體系等；第三，還有新奇的光、電、磁等玻色體系等效應。那麼在量子霍爾效應和反常量子霍爾效應中，它們的輸運過程中是沒有能耗的。
那超導跟量子有什麼關係？超導是人類觀察到的第一個宏觀量子效應。超導是1911年發現的，而量子力學是上個世紀30年代到40年代才完全建立，也就是在量子力學還沒有建成之前，人們已經觀察到了量子力學原理下的量子效應，這就是超導。
那麼對於低維體系，我剛才已經介紹過像石墨跟石墨烯的關係。台積電為了製造2奈米以下的積體電路，需要引入二維材料，具體我就不詳細介紹了。所以二維半導體是延續摩爾定律的重要材料，也是一類量子材料。
低維體系從技術研究來講，是通過單原子和電子自旋構造一些新奇的物態。從應用方面來講，它可以實現高速低功耗的資訊功能器件和儲存器件。
多自由度的耦合物態也是我們量子材料研究的一個方向。從電子學的角度來講，量子材料裡面具有的多自由度有3大出路，可以做出更好的資訊儲存器件、存內的計算器件和類腦的計算器件。
那麼因為量子材料有多自由度的原因，它可以決定如何選擇決定類腦和存內計算器的狀態，取決於它的材料和器件的行為。
那麼在極端條件下的新奇量子材料是怎樣的？這張圖上的紅星就是在物理裡面發現的一個個新的物態，每一個基本上就是一個諾貝爾獎級別的基礎工作。我們可以看出來，隨著溫度的降低，它的量子效應物態就表現得越明顯，原因在於量子效應是跟溫度的倒數成反比的，溫度越低，量子效應就越強。
現在還有一種量子計算和模擬，是通過超冷原子的技術、量子場論、量子材料和超導物理等等結合，實現量子計算機的一些基本功能，為解決現在高溫超導複雜體系等方面提供一些計算。
當然講到量子材料，我們要探索新的物質和合成。我們開始寫這本書是2020年，實際上當時我們高通量實驗的「材料基因組計劃」還在計劃之中，而現在中國科學院在懷柔建的實驗室就已經可以做高通量的計算和高通量合成，為材料的探索打下了很好的基礎。
但是技術也有很大的挑戰。原來我們要做的材料都是釐米尺寸為襯底，現在從釐米到微米的結構，我們要能表徵，也要能進行釐米到微米的輸運，這個非常重要。現在我們國家在這個領域裡面做得很好。
我們國家的科學家要致力發現中國品牌的新奇的量子物質，然後展現出新的一些物理效應，就類似於像石墨烯的發現。這是我們現在應該加強的，當然現在開始有很好的基礎。
▲ 左上：轉角石墨烯中的超導
右上：轉角石墨烯中QAE
左下：轉角高溫超導體中的d+id超導配對機制
右下：轉角半導體的Wigner晶體
另外一個，就是調控材料來獲得更多的物態，像轉角石墨烯可以出現超導，轉角高溫超導體可以出現非常奇特的配對對稱性的機制，轉角石墨烯可以發現反常量子霍爾效應，可以看到半導體的維格納（Wigner）晶體的效應等等。當然還有理論跟實驗跟設備結合起來的一些技術應用。
等待解決的高溫超導機理問題
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講到量子材料，不得不講超導。超導是人類觀察的第一個宏觀量子效應，所以超導體就是一個量子材料。
在過去的100年裡面，與超導相關研究已經有5次共10個人獲得諾貝爾獎，但是超導仍然有很大的挑戰，主要的挑戰包括銅基和鐵基高溫超導的非常規機理。銅氧化物超導體是上個世紀1986年發現的，距今已經將近40年了，但機理問題一直沒有解決。
沒有解決的原因，是我們原來沒有思考過這個問題，仍然是用朗道-費米液體理論來處理一個強關聯電子體系。在這方面我們的科學家已經提出來了，實際上我們也在做這件事情。中國科學院學術委員會除了我們組織跟基金委合作寫這本書《中國量子物質與應用2035發展戰略》以外，我們也在佈局青年團隊，開始探索室溫超導，就是要突破原來的朗道-費米液體理論。我個人的觀點，不一定對，就是不突破這個框架，我們很難來完善和建立非常規超導體的機理。
另外一個重點就是學科方向，就是室溫超導體的探索，還有超導的應用。像超導量子計算機、拓撲量子計算機都是我們應用的前景。
那麼超導裡面約瑟夫森效應和金茲堡-朗道（Ginzburg-Landau）唯象理論這兩個理論奠定了超導的電子學，其存在使得超導材料是一個資訊材料。同時金茲堡-朗道的唯象理論奠定了強電的應用，因為它是無阻載流。就是通以電流的時候，它沒有焦耳損耗，不會發熱，這就沒有無謂的功耗。
由於金茲堡-朗道唯象理論解決了強電應用的方面，所以它也是個能源材料。一個材料既是資訊材料也是能源材料，這樣的情況很少，但現在的矽材料就是這樣的。矽可以造晶片，是資訊材料，但它也可作為光伏應用，又是能源材料。所以超導在這方面是有廣泛的應用前景。
現在我要再講一下關於高效能運算的問題，前面我講了大資料要高效能運算，而高效能運算的功耗特別大。舉一個例子，若以我們國家現在的半導體的技術要建一臺E級的超級計算機，E級是指每秒運算能力能達百億億次。它一年的消耗的電費是三峽水電站發電量的1/3，也就是三峽這麼大的一個工程只能供3臺E級的超級計算機，所以這個功耗是很難走得下去的。美國能源部明確規定，一個基於半導體的E級計算機的功耗不得高於20兆瓦，而我們現在一臺E級的功耗竟然達3.5吉瓦，所以確實是一個很大的問題。
▲ 超導量子計算處理器「祖沖之號」
這樣的話，要節省這個功耗怎麼辦？實際上，現在的計算是我們應用半導體計算機，而未來就是量子計算機，那麼在中間我們可以用超導計算機。這點中國科學院已經提前佈局並且實際上已經運行了，用超導作為CPU的實驗論證都已經成功了。
▲超導積體電路是後摩爾資訊技術的重要方向
那超導計算機跟半導體計算機比有什麼優勢？這裡我講一下它裡面核心器件操控的原理。超導就是約瑟夫森效應，半導體就是PN接面電晶體；而在超導裡面操控的是單磁通量子，在半導體操控的是CMOS。所以超導的速度比半導體的要快2個量級，功耗要低5個量級，並且運用的生態跟半導體是可兼容的。
▲富氫體系為高溫超導的實現提供了新的思路
超導裡面另外一個應用就是室溫超導，現在常壓下的室溫超導是不能實現的。現在超導臨界溫度最高是多少呢？132K。在高壓下面富氫材料已經可以達到260K。前段時間美國羅切斯特大學他們做室溫超導，但他們的重點不是室溫，重點是實現室溫超導只要一兩萬個大氣壓。這對於物理來講不算高，材料是可以用別的方法來穩定，但現在這個結果還有待考證。
材料決定著人類的文明
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人類的文明可以用材料來劃分，原來是石器時期、青銅器時期、鐵器時代、鋼鐵時代，現在是矽基時代。我們現在的每個人都有手機、筆記本里面都有矽基材料。那麼下一代可能能取代矽基的材料是什麼呢？我認為量子材料有這個潛力。
最後再總結一下，新材料的發現可以改變世界、推動人類文明的發展，可以推動科學的發現和技術的發展，可以推動經濟發展、催生新的產業。材料是所有制造業，比如晶片等器件的基礎，也是我們資訊技術和能源技術的支撐。
那麼在我結束之前，要衷心感謝《中國量子物質與應用2035發展戰略》這本書的戰略顧問組和秘書組們。
謝謝大家！