王亚愚教授：从高温超导到量子霍尔效应，带你走进神奇的量子材料

量子材料是量子科技的核心物质载体，支撑量子计算、通信与能源变革，是国家科技竞争和产业升级的关键所在。3月15日，墨子沙龙邀请到了长期深耕量子材料研究领域的专家王亚愚教授，带来名为《神奇的量子材料：从高温超导到量子霍尔效应》的科普报告。

王亚愚是清华大学学科办主任，曾任低维量子物理国家重点实验室主任、物理系主任、理学院院长，主要从事凝聚态物理实验研究，在量子反常霍尔效应实验观测、强关联及拓扑系统量子输运、高温超导体微观电子结构等方向取得系统性原创成果，荣获麦克米兰奖、中国青年科技奖、中国物理学会黄昆物理奖、国家自然科学一等奖等重要荣誉。本文根据讲座内容整理而成。

量子力学革命

今年是一个在科学史上极具纪念意义的特殊年份——2025年被联合国教科文组织正式确立为“国际量子科学与技术年”。

之所以将这一年赋予如此重要的定位，核心原因在于，整整一个世纪之前的1925年，德国物理学家海森堡与奥地利物理学家薛定谔分别以矩阵力学与波动力学两种截然不同的形式，共同创立了完整的量子力学理论体系，为现代物理学奠定了最为关键的一块基石。

量子科学的起源，要追溯到19世纪与20世纪之交的物理学时代。当时，以牛顿力学为核心的经典物理学大厦已经构建得近乎完美，大到天体运行，小到物体运动，经典物理似乎都能给出精准而完备的解释。

1900年，著名物理学家开尔文勋爵在一场面向全球物理学界的演讲中，曾满怀信心地宣告：经典物理学的宏伟建筑已然落成，后辈物理学家只需做一些修修补补的完善工作即可。但在物理学晴朗的天空中，还飘着两朵令人不安的“乌云”，这两朵乌云分别是“以太假说的失效”与“黑体辐射现象无法被经典理论解释”。

同年，德国理论物理学家马克斯·普朗克在反复研究后，大胆突破经典物理的束缚，首次提出了“量子化假说”。他指出，黑体辐射所释放的能量，并非像经典物理所认为的那样可以连续无限分割、取任意小的数值，而是以一份一份、不连续的形式存在，每一份最小的能量单元，就是“量子”。“量子”一词源自拉丁语“quantus”，本意即为“一定的数量”，这也是人类科学史上第一次正式提出量子的概念。

1905年，爱因斯坦将量子化思想应用于光电效应的解释，提出光量子假说，完美解决了经典物理无法解释的光电效应难题，并因此获得诺贝尔物理学奖，同时揭示了光同时具有波动性与粒子性的“波粒二象性”。

这一阶段的量子理论，被科学界称为“旧量子论”。它以假说为核心，能够解释部分微观物理现象，但尚未形成完整、自洽的理论体系。

真正意义上的量子力学革命，发生在1925年。这一年，海森堡因严重的花粉过敏，前往无植被、无花粉的黑尔戈兰岛休养，在这段远离干扰的时间里，他彻底理清了困扰多年的微观粒子运动规律，创立了矩阵力学，连续发表三篇里程碑式论文，标志着新量子力学正式诞生。1926年，薛定谔受波粒二象性思想启发，提出了描述微观粒子运动状态的波动力学方程，即著名的薛定谔方程。矩阵力学与波动力学在数学上完全等价，共同构建起量子力学的完整理论大厦。

为了让大众直观理解量子理论中最反直觉的“量子叠加态”，薛定谔提出了科学史上最著名的思想实验之一——“薛定谔的猫”。他设想将一只猫关在装有放射性元素与剧毒氰化物的密闭盒子里，放射性元素的衰变是随机的量子过程，衰变发生则猫死亡，未衰变则猫存活。按照量子叠加原理，在未打开盒子观测前，猫处于“既死又活”的叠加状态，而非确定的死或活。

量子力学的颠覆性，让它从诞生起就伴随着持续百年的科学争论。其中最著名的，便是爱因斯坦与玻尔之间的世纪论战。而量子材料，作为量子科技从理论走向应用的关键物质载体，成为了当代凝聚态物理最前沿、最具活力的研究方向之一。

量子材料

量子计算机需要高性能的量子比特材料，量子通信需要低损耗的量子传输材料，精密测量需要高灵敏度的传感材料，这些能够清晰、稳定呈现量子力学特性的特殊材料，被统称为“量子材料”。

日常生活中，根据物质的导电能力，将材料分为三大类：完全不导电的“绝缘体”、导电能力强的“导体”、导电能力介于两者之间且可调控的“半导体”。导体能够导电的本质，是其内部存在大量自由电子。在经典导电过程中，自由电子并非毫无阻碍地运动，它们会与晶格的热振动、材料内部的杂质、缺陷发生频繁碰撞，这种碰撞会阻碍电子的运动，形成“电阻。于是科学家提出一个极致的科学问题：“是否存在一种完全没有电阻、电子可以无阻碍运动的理想导电材料？”

这个在经典物理看来近乎天方夜谭的目标，在量子世界中不仅真实存在，而且成为了改变未来科技的核心方向——这就是“超导体”。

1908年，荷兰物理学家卡末林·昂纳斯在莱顿大学实验室，首次成功将氦气液化，获得了仅比绝对零度高几开尔文的极低温条件。昂纳斯获得液氦后，开始将各种材料放入极低温环境中测试导电特性。他选择了常温下为液态的金属汞（水银）作为实验对象，当温度降至零下200多摄氏度时，奇迹发生了：汞的电阻值突然从一个有限的数值瞬间降至零。昂纳斯将这种零电阻的全新物质状态命名为“超导态”，具备这种特性的材料就是“超导体”。

超导现象发现后的四十余年里，爱因斯坦、海森堡、费曼等无数物理学巨匠都试图破解超导的微观机理，但始终未能成功。当时甚至流传着一条“超导研究第一定理”：“任何关于超导的理论都是错误的”，足见这一问题的难度之高。

直到1957年，美国物理学家巴丁、库珀、施里弗联合提出了“BCS理论”，三人也因此荣获诺贝尔物理学奖。BCS理论完美解释了超导零电阻的本质：金属中带负电的电子，本应因同性电荷相互排斥，但它们可以通过“带正电的晶格离子”作为中介，产生间接的吸引作用，两个电子相互配对形成“库珀对”。单个电子运动时会受到晶格、杂质的散射，产生电阻；而大量库珀对协同运动时，会形成一种宏观量子相干态，不再受到散射阻碍，从而实现零电阻导电。

尽管BCS理论成功解释了传统超导的机理，但它存在一个致命局限：该理论所描述的超导配对作用极其微弱，只有在极低温环境下才能维持，一旦温度升高，库珀对就会被热运动破坏，超导态随之消失。这意味着，传统超导体的应用必须依赖昂贵的液氦制冷，成本极高、场景受限，无法大规模普及。因此，寻找“高温超导体”，甚至“室温超导体”，成为了全球物理学家梦寐以求的终极目标。

1987年，华裔科学家吴茂坤、朱经武与中国科学家赵忠贤院士团队，分别独立发现了“钇钡铜氧”体系超导体，其超导转变温度突破77开尔文，首次进入“液氮温区”。同年年3月，美国物理学会年会上，全球物理学家为这一重大发现彻夜研讨，这场持续八小时的学术会议，被称为“物理学界的伍德斯托克音乐节”！

然而，一个新的科学难题随之而来：传统BCS理论无法解释高温超导的机理。目前科学界最具潜力的假说认为，高温超导的电子配对与“电子自旋”密切相关。但这一假说尚未得到最终证实，“高温超导微观机理”至今仍是凝聚态物理领域最核心、最具挑战性的科学难题，等待着新一代科学家去破解。

量子霍尔效应

在量子材料的研究版图中，量子霍尔效应是另一个诞生了多个诺贝尔奖的重大领域。

量子霍尔效应的起源，要追溯到经典的霍尔效应。1878年，美国物理学家霍尔发现了一个全新的电磁现象：将通电的导体置于磁场中，导体内部的电子会在磁场洛伦兹力的作用下发生横向偏转，在导体两侧积累电荷，形成横向电压与横向电阻，这一现象被命名为“霍尔效应”。经典霍尔效应的核心规律是，横向电阻与外加磁场强度成正比，磁场越强，电子偏转越明显，霍尔电阻越大。

1879年，霍尔在实验中又有了新的发现：在铁、钴、镍等铁磁材料中，即便不施加外部磁场，也能观测到明显的霍尔效应。这是因为铁磁材料自身具有自发磁化强度，材料内部的磁场足以让电子发生偏转，这种零磁场下的霍尔效应被称为“反常霍尔效应”。

经典霍尔效应与反常霍尔效应都属于经典物理范畴，电子的运动规律仍受经典电磁学支配。直到1980年，德国物理学家克劳斯·冯·克利青在极强磁场、极低温条件下，观测到了完全颠覆经典认知的“整数量子霍尔效应”。这一发现彻底改变了人类对电子输运的认知，克利青也因此获得1985年诺贝尔物理学奖。

1982年，华裔科学家崔琦与同事在更纯净的样品、更低的温度、更强的磁场条件下，进一步发现了“分数量子霍尔效应”——霍尔电阻平台不仅出现在整数倍，还出现在1/3、2/3等分数倍处。这一发现揭示了电子之间强关联相互作用的全新量子态，崔琦等人也荣获1998年诺贝尔物理学奖。

接着，物理学界更近一步提出了一个极具挑战性的科学问题：“能否在零外部磁场的条件下，实现量子霍尔效应？”这一问题的答案，就是“量子反常霍尔效应”。

量子反常霍尔效应

早在1988年，英国物理学家霍尔丹就从理论上提出了零磁场量子霍尔效应的模型，但这一理论过于抽象，长期未能在实验中实现。2008年，华裔物理学家张首晟院士联合中科院物理所方忠、戴希研究员等科学家，提出了“磁性拓扑绝缘体”的理论路线，明确指出：只有同时满足“铁磁性、拓扑性、绝缘性”三大严苛条件的材料，才能实现量子反常霍尔效应。

这三大条件看似简单，实则相互矛盾、实现难度极高：铁磁性材料大多是金属导体，难以实现绝缘；而拓扑绝缘体的拓扑特性，又容易被铁磁性破坏。用一个通俗的比喻，寻找这种材料就如同寻找一个同时拥有姚明的身高、博尔特的速度、羽生结弦的灵活性的运动员，是极端苛刻的科学挑战。

面对这一世界难题，清华大学薛其坤院士领衔，带领我们联合中科院物理所的科研团队，组建了一支集材料生长、器件制备、物理测量于一体的联合攻关团队。团队从2009年开始，历经四年时间，开展了成千上万次实验，通过“分子束外延、扫描隧道显微镜、低温强磁场量子输运测量”等尖端技术，对材料进行原子级别的精准调控与制备。

2013年，团队终于在实验中首次清晰观测到“量子反常霍尔效应”：在零外部磁场条件下，霍尔电阻呈现出完美的量子化平台，与理论预测完全一致。这项工作后来也被日本、美国、德国等很多知名的研究组重复地验证出来，作为一个物理学的新效应，毫无疑义地可以写在物理学的教科书上了。

这一重大成果发表在国际顶级期刊《Science》上，被国际学界评价为“霍尔效应量子化家族的最后一块拼图”“凝聚态物理领域的里程碑式突破”。它不仅证实了量子反常霍尔效应的存在，更让中国科学家在拓扑量子物理领域占据了世界领先地位。2018年，该成果荣获“国家自然科学一等奖”；随后，薛其坤院士荣获“国家最高科学技术奖”，成为我国量子材料领域的标志性成就。

最后，我们简单总结并展望一下，量子科学的百年征程，是人类好奇心与探索精神的最好见证。从普朗克提出量子假说，到薛定谔构建量子理论大厦；从昂纳斯发现超导，到中国科学家实现量子反常霍尔效应，每一步突破都源于对未知的执着探索。面向未来，不管是量子材料还是在我们中国科大正在做的全世界最领先的量子通信量子计算，都有可能在更大程度上来改变我们对自然的认知以及我们的生活方式。

内容整理：路飞