中国粉体网讯 近日，据科技日报报道，英国剑桥大学卡文迪许实验室科学家首次发现，层状二维材料六方氮化硼（hBN）中的“单原子缺陷”可以将量子信息在室温下保留几微秒。这一发现意义重大，因为能够在环境条件（室温）下拥有量子性质的材料十分罕见，此次发现还凸显了二维材料在推进量子技术方面的潜力。
图片来源：埃莉诺·尼科尔斯/剑桥大学卡文迪许实验室
全球力推量子技术发展
据中国科学院文献情报中心专家分析，量子科技是新一轮科技革命和产业变革的必争领域之一，它将催生一系列新兴产业，对社会、经济和国家安全都将产生重大影响。例如量子计算将加速新药开发、破解加密算法、人工智能和金融发展等；量子通信所具有的高安全性，可广泛应用于对信息安全要求很高的领域，例如军事国防、政务、金融和互联网云服务等。
随着第二次量子革命的到来，美国、欧盟、英国、日本和俄罗斯等将量子作为科技发展的重要方向，纷纷制定量子战略，加大研发投入，以抢占技术制高点。各国通过出台政策文件、成立协调机构、政府部门分工协作、设立量子研究机构等多种方式加大对量子研发的投资，促进量子科技研发和产业发展。
为抢占量子科技的制高点，中国已将量子科技提升至国家战略高度。近年来中国出台了一系列相关政策，并逐步加大支持。在“十三五”国民经济和社会发展规划中，中国将量子信息技术作为体现国家战略意志的重大科技项目之一。
2016年国家创新驱动发展战略将量子信息技术列入发展引领产业变革的颠覆性技术。中国2016年设立了量子调控与量子信息重点专项，2020年围绕关联电子体系和量子通信两方面继续部署项目。2017年，中国通过“十三五”科技军民融合发展专项规划推动了包括量子计算在内的新一轮军民融合重大科技项目论证与实施。2019年12月中共中央、国务院发布的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中提出加快量子通信产业发展，统筹布局和规划建设量子保密通信干线网，实现与国家广域量子保密通信骨干网络无缝对接，开展量子通信应用试点。
2020年10月，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习，中共中央总书记习近平强调要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。
量子材料研究任重道远
量子材料作为一类新兴的功能材料，关于它的研究也正在快速崛起。不同于传统材料主要依赖原子或分子级别的相互作用，量子材料的基本特性主要是由电子等基本粒子之间的量子效应所决定的，并且取决于材料的对称性、维度以及电子的关联性质、拓扑性质等内禀性质，为现代物理学的发展提供了一个极好的研究平台。
可观测到的量子效应赋予了量子材料独特的光、电、磁等性能以及通过外场对材料性质的调控实现对量子效应进行操控的诱人可能，使得其在电子器件、信息技术等领域具有广阔的应用前景。
据北京航空航天大学的专家介绍，量子效应是量子材料中最重要和最基本的物理现象，是理解量子材料中各种奇特物理特性和现象的基础，它揭示了量子材料在微观尺度上的运行机理。根据量子力学，在微观世界中经典物理不再适用而要遵循量子理论。在宏观世界里，量子力学的一些特性和效应仍然可以显现出来。著名的例子是凝聚态物理研究中占据核心地位的超导现象。
在常规超导体的BCS理论解释中能够发现：首先，库珀对在超导体中具有宏观数量；其次，库珀对占有单一的电子态，具有和微观粒子相同的量子力学性质。这种宏观数量是微观粒子在宏观尺度上的行为，可以称为宏观量子态或者宏观波函数，因此我们说超导是宏观世界的量子行为，超导电性是在宏观尺度上表现出的量子效应。
常规超导体中库珀对相互作用的示意图
其他一些容易在材料中被观测或者观察的量子效应还有量子隧穿效应、量子霍尔效应等。这些量子效应极大地影响了量子材料的各种性质，如电导率、光学性质、磁性等，而利用这些量子效应可以设计出各种功能的量子材料。
近年来，随着对量子领域研究的不断深入，越来越多的量子材料被发现或制备成功，尤其是至少有一个维度上的尺寸为纳米尺度的低维材料体系。低维量子材料的尺寸非常小，会引起许多新奇的量子效应，因此低维量子材料是一个非常理想的量子研究平台。
典型的低维量子材料包括：零维的钙钛矿式量子点、过渡金属二硫化物量子点、碳量子点等；一维的碳纳米管等；二维的石墨烯等；二维以及三维的拓扑量子材料等。这些量子材料的研究为开发新一代的光电子学、精密测量、量子计算等技术提供了可能，吸引了无数的目光。
一维量子材料中，电子只能在一个维度中运动，如纳米管、纳米线等。1991年，日本物理学家Sumio Iijima在实验中发现碳纳米管，它独特的纳米结构使其兼容了硬度和柔韧性，受到研究人员的广泛关注。并且，由于一维纳米材料中极强的电子关联效应，以碳纳米管为代表的一维材料也被广泛地用于研究一些一维下的独特量子效应。
二维材料指的是厚度在纳米尺度的材料，它们在二维空间内表现出独特的量子效应。其中，以石墨烯、硅烯、锗烯、黑磷、过渡金属硫族化合物等为代表的二维材料展示出丰富的新奇物性，并且具有包含拓扑绝缘体、整数和分数量子霍尔效应、非常规超导在内的一系列量子现象，极大地丰富了现代凝聚态物理的理论，是当前多个学科和交叉学科的研究热点。
二维材料的量子自旋霍尔效应示意图
二维材料中的石墨烯具有的特殊结构赋予了它独特的物理性质，如高导电性、高导热性、高透光率、高强度和超大比表面积等，而这些性质为其在电极材料、热管理、复合材料和吸附检测材料等领域的应用提供了强大的性能支撑。此外，石墨烯中的载流子在狄拉克点附近表现为无质量的费米子，具有很高的迁移率，因此在室温条件下，也能在石墨烯中观测到量子霍尔效应。
石墨烯作为第一种被发现的二维量子材料，展示出许多独特的电子结构和运输性质，为二维量子材料的研究打开了新的视野。但是，由于石墨烯没有带隙，并且很难实现欧姆接触，这极大地限制了其在电子器件领域的应用。
作为石墨烯硼氮代替物的二维材料六方氮化硼，由于其机械、电气、光学、化学和物理性能、热稳定性、高热导率、低密度、大量结构缺陷、大表面积、宽带隙半导体性能、低介电常数、较低电容率、良好的绝缘性能、优异的化学惰性、高抗热震性和优异的腐蚀性等，与石墨烯一样被广泛研究及应用。
六方氮化硼粉体
深入探索低维量子材料的基本物理原理，理解其量子效应与宏观性质之间的关系，不仅能推动基础科学发展，也将促进相关技术取得重大进展，对人类未来产生深远影响。尽管目前低维量子材料的研究还面临很多基础理论和实验技术上的挑战，但相信在未来，科学家们会不断战胜困难与挑战，发现和制备出更多新奇、有用的量子材料，为其他技术和领域的发展提供新的思路。
参考来源：
李柯仁等：低维量子材料的研究进展，北京航空航天大学物理学院
邹丽雪等：量子科技创新战略研究，中国科学院文献情报中心
李丰印：新型窄带隙低维度氮化硼材料的理论设计与研究，吉林大学化学学院
（中国粉体网编辑整理/平安）
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