中國粉體網訊 近日，據科技日報報道，英國劍橋大學卡文迪許實驗室科學家首次發現，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。這一發現意義重大，因為能夠在環境條件（室溫）下擁有量子性質的材料十分罕見，此次發現還凸顯了二維材料在推進量子技術方面的潛力。
圖片來源：埃莉諾·尼科爾斯/劍橋大學卡文迪許實驗室
全球力推量子技術發展
據中國科學院文獻情報中心專家分析，量子科技是新一輪科技革命和產業變革的必爭領域之一，它將催生一系列新興產業，對社會、經濟和國家安全都將產生重大影響。例如量子計算將加速新藥開發、破解加密算法、人工智能和金融發展等；量子通信所具有的高安全性，可廣泛應用于對信息安全要求很高的領域，例如軍事國防、政務、金融和互聯網云服務等。
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展的重要方向，紛紛制定量子戰略，加大研發投入，以搶占技術制高點。各國通過出臺政策文件、成立協調機構、政府部門分工協作、設立量子研究機構等多種方式加大對量子研發的投資，促進量子科技研發和產業發展。
為搶占量子科技的制高點，中國已將量子科技提升至國家戰略高度。近年來中國出臺了一系列相關政策，并逐步加大支持。在“十三五”國民經濟和社會發展規劃中，中國將量子信息技術作為體現國家戰略意志的重大科技項目之一。
2016年國家創新驅動發展戰略將量子信息技術列入發展引領產業變革的顛覆性技術。中國2016年設立了量子調控與量子信息重點專項，2020年圍繞關聯電子體系和量子通信兩方面繼續部署項目。2017年，中國通過“十三五”科技軍民融合發展專項規劃推動了包括量子計算在內的新一輪軍民融合重大科技項目論證與實施。2019年12月中共中央、國務院發布的《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》中提出加快量子通信產業發展，統籌布局和規劃建設量子保密通信干線網，實現與國家廣域量子保密通信骨干網絡無縫對接，開展量子通信應用試點。
2020年10月，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，中共中央總書記習近平強調要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。
量子材料研究任重道遠
量子材料作為一類新興的功能材料，關于它的研究也正在快速崛起。不同于傳統材料主要依賴原子或分子級別的相互作用，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所決定的，并且取決于材料的對稱性、維度以及電子的關聯性質、拓撲性質等內稟性質，為現代物理學的發展提供了一個極好的研究平臺。
可觀測到的量子效應賦予了量子材料獨特的光、電、磁等性能以及通過外場對材料性質的調控實現對量子效應進行操控的誘人可能，使得其在電子器件、信息技術等領域具有廣闊的應用前景。
據北京航空航天大學的專家介紹，量子效應是量子材料中最重要和最基本的物理現象，是理解量子材料中各種奇特物理特性和現象的基礎，它揭示了量子材料在微觀尺度上的運行機理。根據量子力學，在微觀世界中經典物理不再適用而要遵循量子理論。在宏觀世界里，量子力學的一些特性和效應仍然可以顯現出來。著名的例子是凝聚態物理研究中占據核心地位的超導現象。
在常規超導體的BCS理論解釋中能夠發現：首先，庫珀對在超導體中具有宏觀數量；其次，庫珀對占有單一的電子態，具有和微觀粒子相同的量子力學性質。這種宏觀數量是微觀粒子在宏觀尺度上的行為，可以稱為宏觀量子態或者宏觀波函數，因此我們說超導是宏觀世界的量子行為，超導電性是在宏觀尺度上表現出的量子效應。
常規超導體中庫珀對相互作用的示意圖
其他一些容易在材料中被觀測或者觀察的量子效應還有量子隧穿效應、量子霍爾效應等。這些量子效應極大地影響了量子材料的各種性質，如電導率、光學性質、磁性等，而利用這些量子效應可以設計出各種功能的量子材料。
近年來，隨著對量子領域研究的不斷深入，越來越多的量子材料被發現或制備成功，尤其是至少有一個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，會引起許多新奇的量子效應，因此低維量子材料是一個非常理想的量子研究平臺。
典型的低維量子材料包括：零維的鈣鈦礦式量子點、過渡金屬二硫化物量子點、碳量子點等；一維的碳納米管等；二維的石墨烯等；二維以及三維的拓撲量子材料等。這些量子材料的研究為開發新一代的光電子學、精密測量、量子計算等技術提供了可能，吸引了無數的目光。
一維量子材料中，電子只能在一個維度中運動，如納米管、納米線等。1991年，日本物理學家Sumio Iijima在實驗中發現碳納米管，它獨特的納米結構使其兼容了硬度和柔韌性，受到研究人員的廣泛關注。并且，由于一維納米材料中極強的電子關聯效應，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特量子效應。
二維材料指的是厚度在納米尺度的材料，它們在二維空間內表現出獨特的量子效應。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，并且具有包含拓撲絕緣體、整數和分數量子霍爾效應、非常規超導在內的一系列量子現象，極大地豐富了現代凝聚態物理的理論，是當前多個學科和交叉學科的研究熱點。
二維材料的量子自旋霍爾效應示意圖
二維材料中的石墨烯具有的特殊結構賦予了它獨特的物理性質，如高導電性、高導熱性、高透光率、高強度和超大比表面積等，而這些性質為其在電極材料、熱管理、復合材料和吸附檢測材料等領域的應用提供了強大的性能支撐。此外，石墨烯中的載流子在狄拉克點附近表現為無質量的費米子，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。
石墨烯作為第一種被發現的二維量子材料，展示出許多獨特的電子結構和運輸性質，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，并且很難實現歐姆接觸，這極大地限制了其在電子器件領域的應用。
作為石墨烯硼氮代替物的二維材料六方氮化硼，由于其機械、電氣、光學、化學和物理性能、熱穩定性、高熱導率、低密度、大量結構缺陷、大表面積、寬帶隙半導體性能、低介電常數、較低電容率、良好的絕緣性能、優異的化學惰性、高抗熱震性和優異的腐蝕性等，與石墨烯一樣被廣泛研究及應用。
六方氮化硼粉體
深入探索低維量子材料的基本物理原理，理解其量子效應與宏觀性質之間的關系，不僅能推動基礎科學發展，也將促進相關技術取得重大進展，對人類未來產生深遠影響。盡管目前低維量子材料的研究還面臨很多基礎理論和實驗技術上的挑戰，但相信在未來，科學家們會不斷戰勝困難與挑戰，發現和制備出更多新奇、有用的量子材料，為其他技術和領域的發展提供新的思路。
參考來源：
李柯仁等：低維量子材料的研究進展，北京航空航天大學物理學院
鄒麗雪等：量子科技創新戰略研究，中國科學院文獻情報中心
李豐印：新型窄帶隙低維度氮化硼材料的理論設計與研究，吉林大學化學學院
（中國粉體網編輯整理/平安）
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