室温超导可能存在吗？其实高温超导的机理问题还未解决 | 陈仙辉

■ 导读

在过去的100年里面，

与超导相关研究

已经有5次共10个人获得诺贝尔奖，

但是超导仍然有很大的挑战。

陈仙辉 · 中国科学院院士

格致论道第97期 | 2023年5月27日 北京

大家好，我是陈仙辉。非常高兴有机会来介绍《中国量子物质与应用2035发展战略》研究报告。

我的演讲题目是《量子物质中的演生现象和应用》。量子物质中的演生现象属于物理学里面凝聚态物理范畴，通俗讲就是材料物理，当然它比材料物理要广泛，它研究的是宏观物质中的物态和量子现象。

▲ 信息技术的四大关键技术

凝聚态物理的成果已经被大家所熟悉。在信息技术里面有4个门类：信息的处理、信息的储存、信息的显示和信息的传输。

大家都有手机，手机里信息的处理就基于凝聚态物理里面晶体管的发现，曾在1956年被授予诺贝尔奖，还有集成电路2000年被授予诺贝尔奖。信息的存读也是基于凝聚态科学的基础研究巨磁阻效应，在2007年获得诺贝尔奖。还有信息的显示，液晶是1991年获诺贝尔奖，前几年还有蓝光LED也被授予诺贝尔奖。还有信息的传输所用的光纤是2009年获得诺贝尔奖，华裔科学家高锟做了贡献。

▲ 物理学发展的两个维度

物理研究有两个维度。纵向就是还原论的科学思想：只要我们了解和懂得了构成这个世界物质的基本单元，就可以把它的规律都搞清楚。就像我们现在知道分子是由原子组成，原子是由原子核和核外电子组成，再往里面有夸克等等。

但事实并不是这样的。我们知道了这些基本元素，并不能把物质世界里面的所有规律都能弄清楚。

▲ 菲利普·安德森（Philip W. Anderson）

演生物理的出现是在1972年，伟大的物理学家也是诺贝尔奖获得者菲利普·安德森（Philip W. Anderson）写过一篇文章More is different，翻译成中文就是复杂程度不一样、它的物理规律就不一样。

这就跟还原论不一样。我们把这一套哲学思想就是研究科学方法称作为演生论。演生论是什么意思呢？它指在复杂的每一个层次都会呈现出全新的性质，并不是由构成这个物质的最基本的单元的性质所决定。安德森讲道：为了理解这些新的行为所需要做的研究，就其基础性来讲，与其他的研究相比毫不逊色。

他讲这句话是在1972年，那时候高能物理跟粒子物理是非常非常热的，而凝聚态物理在物理里面是讲不清楚的，所以安德森就写下了这句我们凝聚态物理的格言。这就是我们物理学哲学的两个思想。

什么是量子材料？

我今天要谈的是物质。量子物质翻译成英文可以是“quantum matter”，也可以是“quantum materials”（量子材料）。

量子材料的概念始于上个世纪80年代两个伟大的发现：一个就是1986年的铜氧化物高温超导体，还有一个就是1980年和1982年的整数和分数量子霍尔效应。

上世纪80年代之前，物理研究的物质世界就是核外电子跟晶格振动，那时候电子被认为是自由电子，所以就有一个范式。在这个范式里用能带结构和朗道-费米液体理论来处理就可以了。

但是由于这两个伟大的发现，就引入了拓扑的概念，还有电子关联，当然还跟维度有关系。所以量子材料就是里面有很强的电子的关联、有拓扑性质，还有维度引起的量子效应的材料。

▲ 量子材料的6个方向

为了讨论学科战略规划，我们在这套书中将量子材料分为了6个方向，就是超导和强关联体系、拓扑量子物态体系、低维量子体系、多自由度耦合量子物态体系、极端条件下新奇量子物态以及量子物质的合成和探索。

▲关联电子体系的演生现象

这张图展现了从上世纪80年代到现在再到将来的发展，出现了很多新的学科，比如拓扑电子学、量子计算、室温超导，还有一个莫特电子学（mottronics），在电子学方面有很大的突破。由于关联电子体系，就出现了很多原来没有观察到的物理现象，像自旋有序、电荷有序、超导轨道序、电子液晶相等等。

▲演生物态和相关的演生粒子

还有一个有意思的事情，就是在这些特殊的物态里面会出现相关的演生粒子。在凝聚态物质里面，就是原子核、核外电子就这两部分，原子核构成的晶格的振动我们用一种准粒子声子的概念来描述，而电子就是自由电子。但是磁性材料里面又有磁子的概念。像氦-3、氦-4还有超流现象，就是无阻地流动，有声子和旋子这些准粒子概念。超导里面也有一个准粒子，是什么呢？它的描述的粒子就是库珀对，要两个电子形成一对，从原来两个费米子变成一个玻色子。

那么量子材料出现以后，对传统的理论提出挑战、就是我讲的对朗道-费米液体理论提出挑战。从原来的费米体系到现在的玻色体系，甚至复合的一些准粒子体系等等，从原来的三维到低维和界面的问题，出现了很多新的一些物理。

▲量子材料的特征 Philip W. Anderson: More is different (1972)

那在这样一个量子材料特征里面，它会出现很多演生现象，就是出现很多物理的态。像量子反常霍尔效应、自旋霍尔效应、高温超导、巨磁电阻、金属-绝缘体相变、多铁与磁电耦合，这些都是一些新的物理态。

更有意思的是，刚才我讲到了，在物质里面我们研究的就是电子和声子，当然电子有两个属性，它带有自旋也有电荷，同时不同的元素的核外电子的轨道也不一样。但总而言之，原来我们用朗道-费米液体理论，就是用的一个准粒子的概念。

但由于出现这些演生现象，就会在我们的凝聚态物质的研究中，发现这些量子态里面有狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子、磁单极子、斯格明子。而这些粒子是高能物理和粒子物理他们认为是应该存在于自然界的粒子，但一直没有观察到。反而是在物质科学出现的很多量子态里面需要这样一些准粒子，而这些准粒子的性质跟真实的他们研究的粒子的性质是完全一样，所以出现新的物理。

量子材料有哪些应用？

现在讲讲量子物理的应用。假设磁性材料可以作为信息的存储，超导和拓扑可以作为低能耗的电子学做现在的量子计算，那么低维材料可以作为新型量子器件。

▲Y. Tokura et al., Nature Physics13, 1056–1068 (2017)

量子计算有方案，有超导量子计算、拓扑量子计算，就是基于这样一些新物理。

还有一个摩尔定律。毕竟到现在集成电路受到很大的挑战，面临众多瓶颈。现在的半导体集成电路已经进入亚10纳米的技术节点，非常接近物理的极限，在这个情况下它的应用方面存在3大瓶颈：一个是功耗瓶颈，一个是速度瓶颈，还有一个是制造瓶颈。

制造瓶颈方面我们都有所耳闻，像我们现在被“卡脖子”的光刻机，要做到这么小的亚10纳米的技术节点，所需要的进行光刻的光源的波长就必须要小于这个，否则达不到这样的分辨率，做不好这样的器件，就会有制造瓶颈。

还有一个就是功耗瓶颈。根据2021年的数据，我们国家的大数据中心所消耗的电费占全国能耗的6%，并且据说还在以8%的速度增长。现在的人工智能也都要基于大数据计算。按这样的发展趋势，能耗问题如何解决，这是我们科学家应该思考的问题。所以我们急需发展新一代的低能耗的信息技术。

那么实际上我们这个领域的科学家在很早就已经开始研究磁性半导体。为什么要研究磁性半导体？我们现在的晶体管的原理是通过电场控制电流，调控的是电子，但电子的相互作用能量很高。

如果我们有办法来调控电子的另一个属性——自旋的话，它的能量可以低3-4个量级，这样的话我们的功耗就可以大幅度降下来。而且可以研制出像非易失存储器、存算一体、类脑计算等等。这就需要基于量子材料发展自旋电子学、拓扑电子学、磁电耦合，但是目前为止还在研究中。

▲ 左：整数量子霍尔效应 Klitzing 1985

右：分数量子霍尔效应 Laughlin Störmer Tsui 1998

拓扑本来是一个数学概念，凝聚态物质从一个物态到另外一个物态变化的时候，原来是用对称性来描述。像冰、水都是水，但是固态的水跟液态的水的对称性是不一样的，固态的对称性更高。但是现在有些物质，尤其是量子霍尔效应发现以后，用对称性不能描述物态之间的变化，必须要有拓扑的不变量，就出现新的物理。

拓扑量子态的特点是无损耗的输运、拓扑的稳定性、手性反常并且有非阿贝尔统计。刚才讲的量子计算里面，不管是超导的也好、拓扑的也好，必须满足非阿贝尔统计才能往下走。所以拓扑量子体系具有非常丰富和新颖的物理现象，并孕育着革命性的技术的发展。

那举一个石墨烯的例子。石墨烯就是石墨的单层，而石墨是一个普通的物质材料，它的性质可以用朗道-费米液体理论来描述。但是单层以后，虽然物质完全一样，它就变成一个拓扑材料，是一个无能隙的狄拉克费米子，所以它有非常奇特的性能。

▲ 左：Room-temperature QHE

右：FQHE

它有非常好的迁移率和热导，它的电阻比金属银的电阻率还要低，这是一个极其反常的性质，这些都源于它的拓扑。当时我们想降低硅材料的功耗，对石墨烯寄予很大的厚望，但是非常遗憾，发现它没有能隙，不能构成半导体。

▲ 黑磷场效应晶体管的发现

我们跟复旦大学张远波团队发现了另一类半导体材料黑磷，这样的一些量子材料它有能隙，而且从0.3-1.8电子伏特（eV）可调，可以作为未来的半导体材料的一个候选。

▲ 量子反常霍尔效应

所以拓扑物态的重要性，从基础到应用有3个方面：第一，存在磁性、超导等多关联效应的拓扑体系；第二，打破了传统的“体边对应原理”的新拓扑物态，如非厄米体系等；第三，还有新奇的光、电、磁等玻色体系等效应。那么在量子霍尔效应和反常量子霍尔效应中，它们的输运过程中是没有能耗的。

那超导跟量子有什么关系？超导是人类观察到的第一个宏观量子效应。超导是1911年发现的，而量子力学是上个世纪30年代到40年代才完全建立，也就是在量子力学还没有建成之前，人们已经观察到了量子力学原理下的量子效应，这就是超导。

那么对于低维体系，我刚才已经介绍过像石墨跟石墨烯的关系。台积电为了制造2纳米以下的集成电路，需要引入二维材料，具体我就不详细介绍了。所以二维半导体是延续摩尔定律的重要材料，也是一类量子材料。

低维体系从技术研究来讲，是通过单原子和电子自旋构造一些新奇的物态。从应用方面来讲，它可以实现高速低功耗的信息功能器件和存储器件。

多自由度的耦合物态也是我们量子材料研究的一个方向。从电子学的角度来讲，量子材料里面具有的多自由度有3大出路，可以做出更好的信息存储器件、存内的计算器件和类脑的计算器件。

那么因为量子材料有多自由度的原因，它可以决定如何选择决定类脑和存内计算器的状态，取决于它的材料和器件的行为。

那么在极端条件下的新奇量子材料是怎样的？这张图上的红星就是在物理里面发现的一个个新的物态，每一个基本上就是一个诺贝尔奖级别的基础工作。我们可以看出来，随着温度的降低，它的量子效应物态就表现得越明显，原因在于量子效应是跟温度的倒数成反比的，温度越低，量子效应就越强。

现在还有一种量子计算和模拟，是通过超冷原子的技术、量子场论、量子材料和超导物理等等结合，实现量子计算机的一些基本功能，为解决现在高温超导复杂体系等方面提供一些计算。

当然讲到量子材料，我们要探索新的物质和合成。我们开始写这本书是2020年，实际上当时我们高通量实验的“材料基因组计划”还在计划之中，而现在我们中国科学院在怀柔建的实验室就已经可以做高通量的计算和高通量合成，为材料的探索打下了很好的基础。

但是技术也有很大的挑战。原来我们要做的材料都是厘米尺寸为衬底，现在从厘米到微米的结构，我们要能表征，也要能进行厘米到微米的输运，这个非常重要。现在我们国家在这个领域里面做得很好。

我们国家的科学家要致力发现中国品牌的新奇的量子物质，然后展现出新的一些物理效应，就类似于像石墨烯的发现。这是我们现在应该加强的，当然现在开始有很好的基础。

▲ 左上：转角石墨烯中的超导

右上：转角石墨烯中QAE

左下：转角高温超导体中的d+id超导配对机制

右下：转角半导体的Wigner晶体

另外一个，就是调控材料来获得更多的物态，像转角石墨烯可以出现超导，转角高温超导体可以出现非常奇特的配对对称性的机制，转角石墨烯可以发现反常量子霍尔效应，可以看到半导体的维格纳（Wigner）晶体的效应等等。当然还有理论跟实验跟设备结合起来的一些技术应用。

等待解决的高温超导机理问题

讲到量子材料，不得不讲超导。超导是人类观察的第一个宏观量子效应，所以超导体就是一个量子材料。

在过去的100年里面，与超导相关研究已经有5次共10个人获得诺贝尔奖，但是超导仍然有很大的挑战，主要的挑战包括铜基和铁基高温超导的非常规机理。铜氧化物超导体是上个世纪1986年发现的，距今已经将近40年了，但机理问题一直没有解决。

没有解决的原因，是我们原来没有思考过这个问题，仍然是用朗道-费米液体理论来处理一个强关联电子体系。在这方面我们的科学家已经提出来了，实际上我们也在做这件事情。中国科学院学术委员会除了我们组织跟基金委合作写这本书《中国量子物质与应用2035发展战略》以外，我们也在布局青年团队，开始探索室温超导，就是要突破原来的朗道-费米液体理论。我个人的观点，不一定对，就是不突破这个框架，我们很难来完善和建立非常规超导体的机理。

另外一个重点就是学科方向，就是室温超导体的探索，还有超导的应用。像超导量子计算机、拓扑量子计算机都是我们应用的前景。

那么超导里面约瑟夫森效应和金兹堡-朗道（Ginzburg-Landau）唯象理论这两个理论奠定了超导的电子学，其存在使得超导材料是一个信息材料。同时金兹堡-朗道的唯象理论奠定了强电的应用，因为它是无阻载流。就是通以电流的时候，它没有焦耳损耗，不会发热，这就没有无谓的功耗。

由于金兹堡-朗道唯象理论解决了强电应用的方面，所以它也是个能源材料。一个材料既是信息材料也是能源材料，这样的情况很少，但现在的硅材料就是这样的。硅可以造芯片，是信息材料，但它也可作为光伏应用，又是能源材料。所以超导在这方面是有广泛的应用前景。

现在我要再讲一下关于高性能计算的问题，前面我讲了大数据要高性能计算，而高性能计算的功耗特别大。举一个例子，若以我们国家现在的半导体的技术要建一台E级的超级计算机，E级是指每秒运算能力能达百亿亿次。它一年的消耗的电费是三峡水电站发电量的1/3，也就是三峡这么大的一个工程只能供3台E级的超级计算机，所以这个功耗是很难走得下去的。美国能源部明确规定，一个基于半导体的E级计算机的功耗不得高于20兆瓦，而我们现在一台E级的功耗竟然达3.5吉瓦，所以确实是一个很大的问题。

▲ 超导量子计算处理器“祖冲之号”

这样的话，要节省这个功耗怎么办？实际上，现在的计算是我们应用半导体计算机，而未来就是量子计算机，那么在中间我们可以用超导计算机。这点中国科学院已经提前布局并且实际上已经运行了，用超导作为CPU的实验论证都已经成功了。

▲超导集成电路是后摩尔信息技术的重要方向

那超导计算机跟半导体计算机比有什么优势？这里我讲一下它里面核心器件操控的原理。超导就是约瑟夫森效应，半导体就是PN结晶体管；而在超导里面操控的是单磁通量子，在半导体操控的是CMOS。所以超导的速度比半导体的要快2个量级，功耗要低5个量级，并且运用的生态跟半导体是可兼容的。

▲富氢体系为高温超导的实现提供了新的思路

超导里面另外一个应用就是室温超导，现在常压下的室温超导是不能实现的。现在超导临界温度最高是多少呢？132 K。在高压下面富氢材料已经可以达到260K。前段时间美国罗切斯特大学他们做室温超导，但他们的重点不是室温，重点是实现室温超导只要一两万个大气压。这对于物理来讲不算高，材料是可以用别的方法来稳定，但现在这个结果还有待考证。

材料决定着人类的文明

人类的文明可以用材料来划分，原来是石器时期、青铜器时期、铁器时代、钢铁时代，现在是硅基时代。我们现在的每个人都有手机、笔记本里面都有硅基材料。那么下一代可能能取代硅基的材料是什么呢？我认为量子材料有这个潜力。

最后再总结一下，新材料的发现可以改变世界、推动人类文明的发展，可以推动科学的发现和技术的发展，可以推动经济发展、催生新的产业。材料是所有制造业，比如芯片等器件的基础，也是我们信息技术和能源技术的支撑。

那么在我结束之前，要衷心感谢《中国量子物质与应用2035发展战略》这本书的战略顾问组和秘书组们。

谢谢大家！

本文2023年8月2日发表于微信公众号 格致论道讲坛 （室温超导可能存在吗？其实高温超导的机理问题还未解决 | 陈仙辉院士），风云之声获授权转载。

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■ 作者简介

陈仙辉中国科学院院士

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