“輕”改造，讓量子材料不“脆弱”
馮杰
2024年09月14日 03:05
江穎 邊珂
光明日報（ 2024年08月22日 16版）以量子材料為基石，突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料，驅(qū)動顛覆性量子科技發(fā)展，這是科學(xué)家的愿望。展望未來，基于先進(jìn)量子材料的世界將是什么樣？超低能耗、超精密測量、超高智能的生產(chǎn)生活方式能否實(shí)現(xiàn)？現(xiàn)如今，以輕元素為構(gòu)筑單元的新型量子材料，正逐漸從科幻走向現(xiàn)實(shí)。
量子材料是指其物性不受經(jīng)典物理規(guī)律支配,表現(xiàn)出不尋常量子效應(yīng)的材料。通常而言，量子材料存在量子關(guān)聯(lián)、量子序、量子漲落和量子相干等新奇性質(zhì)。自分子束外延、極低溫、超高壓、超高真空等實(shí)驗技術(shù)發(fā)展以來，以重元素為構(gòu)筑單元或摻雜成分的量子材料已被證實(shí)具有高溫超導(dǎo)、拓?fù)湮飸B(tài)、量子反常霍爾效應(yīng)等奇異物性。探索這類材料有望突破經(jīng)典材料的應(yīng)用邊界,發(fā)展新一代量子器件并催生顛覆性技術(shù)。同時，量子材料也是實(shí)現(xiàn)量子計算和超低功耗電子學(xué)器件的重要基石。
突破“脆弱”瓶頸，產(chǎn)生新奇量子物態(tài)
盡管量子材料展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但它卻非常“脆弱”，其量子特性的維持通常依賴于低溫、高壓、真空等極端條件,且合成成本高,嚴(yán)重制約了實(shí)際應(yīng)用。氫、氦、鋰、硼、碳、氮……這些活躍在化學(xué)元素周期表前列的輕元素，擁有自旋—軌道耦合弱、核量子效應(yīng)強(qiáng)、能隙大、化學(xué)鍵強(qiáng)、自然豐度高等獨(dú)特優(yōu)勢，有可能幫助量子材料突破“脆弱”瓶頸。
例如，超導(dǎo)現(xiàn)象是指材料在一定溫度之下完全失去電阻，變成零電阻的導(dǎo)體，可實(shí)現(xiàn)無損耗的輸電、高效的電動機(jī)、高密度的儲能等電力方面的應(yīng)用。超導(dǎo)態(tài)通常出現(xiàn)在低溫環(huán)境中，然而最近的研究發(fā)現(xiàn)，富含氫元素的化合物材料在上百萬個大氣壓條件下存在近室溫的超導(dǎo)性質(zhì)。盡管近室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)需要極端高壓條件，但人們開始認(rèn)識到，輕元素材料是最有希望實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的選擇之一。
一般認(rèn)為，由于重元素的原子核質(zhì)量較大，在波恩—奧本海默近似條件下只需要考慮電子的量子效應(yīng)，原子核被當(dāng)作經(jīng)典粒子處理。然而，對于以氫為代表的輕元素體系，其原子核也存在很強(qiáng)的量子效應(yīng)，這時候就需要突破傳統(tǒng)，將電子和原子核同時量子化，從而產(chǎn)生奇特的核量子效應(yīng)。最近有研究發(fā)現(xiàn)，核量子效應(yīng)可大幅降低富氫體系達(dá)到超導(dǎo)態(tài)所需的高壓?？茖W(xué)家們不禁開始思考，通過調(diào)控輕元素材料的核量子效應(yīng)，是否可以在近常壓環(huán)境，觀察到超高壓條件下才能出現(xiàn)的量子現(xiàn)象？因此，輕元素體系的核量子效應(yīng)調(diào)控，為環(huán)境友好的新奇量子物態(tài)探索和新型量子器件研發(fā)提供了全新思路。
不僅如此，以金剛石和氮化硼等為代表的輕元素材料中，存在種類豐富的原子級缺陷。這類缺陷已被證實(shí)可用作高性能的固態(tài)量子比特或量子探針。一方面，上述缺陷與材料的自旋—軌道耦合相互作用較弱，極大程度抑制了量子比特相干性的弛豫效應(yīng)；另一方面，輕元素材料可具備較大的能隙，容易形成熒光效率較高的發(fā)光色心，從而易與成熟的光量子操縱技術(shù)交叉融合?？傊?，輕元素材料所搭載的固態(tài)量子比特，在室溫條件下，就具備優(yōu)越的量子相干性、量子態(tài)可操作性和可讀性。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝和先進(jìn)表征設(shè)備的飛速發(fā)展，以原子級精度創(chuàng)制固態(tài)量子比特以及搭建量子芯片的愿望正逐步成為現(xiàn)實(shí)。因此輕元素材料已成為室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)和量子精密測量的優(yōu)勢備選材料。
輕元素量子材料有望在室溫和常壓下實(shí)現(xiàn)魯棒量子態(tài)
事實(shí)上，輕元素材料在人類生產(chǎn)生活中十分常見。如石墨、金剛石、氮化硼等都是自然界中存在已久的天然材料。鑒于其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，上述材料早已成為重要的工業(yè)原料。
但直到最近，人們才逐漸認(rèn)識到輕元素材料具備獨(dú)特的物理性質(zhì)，可在電子和原子核“全量子化”框架下探索新奇量子態(tài)，并有望在室溫和常壓下實(shí)現(xiàn)魯棒的宏觀量子態(tài)，實(shí)質(zhì)性推進(jìn)量子材料的落地和在信息、能源、環(huán)境、生物等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，具有巨大的應(yīng)用前景。
相較于傳統(tǒng)量子材料，輕元素量子材料的元素種類范圍小、確定性高，可大幅降低研究人員對多種類過渡元素和重元素?fù)诫s的試錯成本。然而需要強(qiáng)調(diào)的是，元素種類的高度確定性并不意味著其量子特性的平庸。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，輕元素材料更容易進(jìn)行豐富且精準(zhǔn)的構(gòu)筑和調(diào)控。例如，基于碳基前驅(qū)分子可以“自下而上”地精準(zhǔn)構(gòu)筑多種低維量子材料，而借助異質(zhì)結(jié)、轉(zhuǎn)角和超晶格調(diào)控等表/界面調(diào)控技術(shù)，則催生出大量具有非平庸電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的新型輕元素二維量子材料。盡管從原子尺度設(shè)計、構(gòu)筑、闡釋、調(diào)控輕元素材料量子物性的整體技術(shù)尚處于初步發(fā)展階段，但正因輕元素材料的元素種類具有確定性和可操作性，以量子材料為基石的量子芯片和量子器件的高效調(diào)控和制備才迎來了新生機(jī)。此外，輕元素的自然豐度高、原料獲取難度低，對進(jìn)一步推進(jìn)輕元素量子材料規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用至關(guān)重要。
室溫常壓下的超導(dǎo)、固態(tài)量子計算等方向雖然還屬于未來技術(shù)，但我們依然可以基于當(dāng)前輕元素材料體系已有的研究成果制定出高可行性的技術(shù)路線。首先，應(yīng)針對輕元素量子材料開發(fā)先進(jìn)的創(chuàng)制與表征設(shè)備，尤其需要發(fā)展針對輕元素原子核敏感的表征或調(diào)控方法。進(jìn)一步，借助輕元素的獨(dú)特物理特性，探索新方法和新途徑，突破維持量子物性所需的極端高壓和低溫環(huán)境的限制。此外，還應(yīng)該開發(fā)通用的輕元素材料生長方法，努力將其推向規(guī)模化與產(chǎn)業(yè)化。最后，還需要設(shè)立輕元素量子材料的公共研究平臺，通過建立共享式的高端科研合作工作室，高效整合并利用科技資源，加快量子器件的發(fā)展步伐。
全新范式的先進(jìn)量子材料是屬于未來的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)
近年來，國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)和高校，紛紛將以輕元素為主題的量子材料作為重點(diǎn)研究對象，并著手布局輕元素量子材料及其量子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。
在先進(jìn)表征技術(shù)研發(fā)方面，近年來，北京大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所等單位自主發(fā)展了高分辨掃描探針顯微鏡、掃描透射電鏡、非線性光譜等高分辨表征技術(shù)，同時結(jié)合量子傳感和人工智能等前沿技術(shù)，力圖突破傳統(tǒng)表征手段的瓶頸，成功研發(fā)出針對氫、硼、碳、氮等各類輕元素敏感的先進(jìn)表征手段并完成國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了空間、時間、能量、電場、磁場等多個物理維度的精密測量，為探索輕元素量子材料新奇物性的微觀起源打下堅實(shí)基礎(chǔ)。
在先進(jìn)調(diào)控技術(shù)研究方面，富氫體系氫鍵的對稱化是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性的重要條件，通常需要超高壓條件。近期，北京大學(xué)科研團(tuán)隊通過調(diào)控核量子效應(yīng)，在表面上實(shí)現(xiàn)了二維冰的對稱氫鍵構(gòu)型，為近常壓條件下實(shí)現(xiàn)超離子態(tài)甚至超導(dǎo)態(tài)提供了可能。雖然通過調(diào)控輕元素的核量子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)百萬個大氣壓量級的等效高壓仍然十分困難，但此研究為超高壓下量子物態(tài)的實(shí)用化研究提供了新的思路。
在先進(jìn)材料制備工藝方面，系統(tǒng)清晰地研究和調(diào)控量子材料的某種優(yōu)勢性能，往往需要在苛刻的實(shí)驗室條件下實(shí)現(xiàn)。為了真正發(fā)揮輕元素量子材料的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)效益，要同步摸索與工業(yè)兼容的制備工藝。北京大學(xué)多年來專攻輕元素二維材料的高質(zhì)量和規(guī)模化生長方案，在單晶輕元素材料方向均發(fā)展出全新的生長技術(shù)。例如，實(shí)現(xiàn)了分米級高質(zhì)量的六方氮化硼單晶和厘米級菱方氮化硼單晶的制備，并將上述成果孵化企業(yè)，加速推動輕元素量子材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
在推進(jìn)平臺建設(shè)方面，由北京市政府和北京大學(xué)共建的輕元素量子材料交叉研究平臺已在懷柔科學(xué)城揭牌運(yùn)行。該平臺是世界上首個國際化、規(guī)模最大、設(shè)施最齊全的輕元素材料綜合研究中心，將打造針對新型輕元素材料預(yù)測、表征、制備與產(chǎn)業(yè)化的完整鏈條。該平臺不僅與懷柔科學(xué)城的高能同步輻射光源、綜合極端條件等多個大型科學(xué)設(shè)施和交叉平臺緊密合作，也鼓勵對外開放共享，希望集聚國內(nèi)外優(yōu)勢力量共同推動這一頗具前景的研究方向。
發(fā)掘和運(yùn)用輕元素材料的獨(dú)特物性，使其突破現(xiàn)有量子材料的應(yīng)用瓶頸，沒有現(xiàn)成的發(fā)展藍(lán)圖。輕元素量子材料在國際上屬于新興方向，需要持續(xù)探索。與充滿激烈競爭的半導(dǎo)體等現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)不同，輕元素量子材料的發(fā)展和探索屬于未來產(chǎn)業(yè)。近年來已有不少國家開始轉(zhuǎn)向這一賽道，如芝加哥大學(xué)的Q-NEXT量子中心就將各種輕元素材料中的固態(tài)量子比特作為焦點(diǎn)研究方向。這意味著我們需要直面科學(xué)難題，勇于探索“無人區(qū)”，并逐步摸索出最適合我國國情的科技路線。因此，以輕元素為著手點(diǎn)，提前布局發(fā)展全新范式的先進(jìn)量子材料，既是挑戰(zhàn)，也是改變現(xiàn)有量子科技領(lǐng)域格局，引領(lǐng)國際潮流的巨大機(jī)遇！
（作者分別系北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授、北京懷柔科學(xué)城輕元素量子材料交叉平臺負(fù)責(zé)人，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心副研究員）