史國(guó)強(qiáng)，徐 珂，陳昆峰，薛冬峰

（1.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院多尺度晶體材料研究中心，廣東深圳 518055；2.山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250000）

介尺度是指任何介于單元尺度與系統(tǒng)尺度之間的尺度范圍。其中，介尺度結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變是新材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵（見(jiàn)圖1）。介尺度的概念在化工、物理等方面都有涉及，但是在材料領(lǐng)域介尺度的特點(diǎn)就在于其動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，如介尺度結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出量子力學(xué)的特征，介尺度動(dòng)態(tài)演變過(guò)程中的團(tuán)簇、量子點(diǎn)以及膠體表現(xiàn)出包括奇特的發(fā)光特性、窄的發(fā)射峰和吸收峰、幻數(shù)現(xiàn)象等量子效應(yīng)，因此通過(guò)控制介尺度的動(dòng)力學(xué)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)新材料的量子設(shè)計(jì)。新材料是未來(lái)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防軍工建設(shè)等起著重要的支撐和保障作用。發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)是突破“卡脖子”技術(shù)難題的關(guān)鍵所在，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)新材料、創(chuàng)新突破研究范式是中國(guó)實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的必然要求。隨著新材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，關(guān)于材料結(jié)構(gòu)-性能構(gòu)效關(guān)系的認(rèn)識(shí)不斷加深，現(xiàn)有的材料研究范式已不能滿足新材料的設(shè)計(jì)需求，需要考慮介尺度動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，明確更加本質(zhì)的體系自由度及其耦合機(jī)制，基于材料量子本源實(shí)現(xiàn)介尺度設(shè)計(jì)新材料。量子信息技術(shù)的快速發(fā)展標(biāo)志著第二次量子革命的興起。目前美國(guó)在量子科技領(lǐng)域覆蓋最全面、關(guān)鍵技術(shù)最領(lǐng)先、綜合實(shí)力最強(qiáng)，而中國(guó)在多個(gè)高精尖領(lǐng)域面臨著技術(shù)封鎖難題。盡管在研究人員的不懈努力下確立了中國(guó)在量子科技領(lǐng)域第一梯隊(duì)的地位，但是中國(guó)在該領(lǐng)域仍存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。因此，中國(guó)亟需部署量子信息技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究，搶占量子科技制高點(diǎn)［1］。

1 介尺度設(shè)計(jì)功能新材料

新材料的量子設(shè)計(jì)是構(gòu)建量子態(tài)體系并進(jìn)行精準(zhǔn)制備的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)量子信息技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要［2-3］。目前，關(guān)于量子技術(shù)領(lǐng)域新材料的研究發(fā)展迅猛，如室溫超導(dǎo)材料、具有自旋量子霍爾效應(yīng)的拓?fù)洳牧稀⑼負(fù)浣^緣體以及谷材料［4-9］。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是通過(guò)電子關(guān)聯(lián)性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞瞧接剐砸约岸囿w相互作用來(lái)評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，雖然功能材料在理論與實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，但是在功能材料量子設(shè)計(jì)方面的研究鮮有報(bào)道，尚未建立規(guī)范統(tǒng)一的方法用于指導(dǎo)新材料的設(shè)計(jì)合成。研究量子材料需要探究材料的功能起源，即從本質(zhì)上解釋量子效應(yīng)對(duì)其宏觀性能的影響?；诓牧辖槌叨冉Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)設(shè)計(jì)新材料；同時(shí)材料中包含電荷、自旋、軌道、晶格、缺陷、摻雜等多種自由度，考慮多自由度之間的耦合和解耦建立模型，建立多自由度耦合的研究范式，實(shí)現(xiàn)新材料的介尺度量子設(shè)計(jì)；基于材料體系的多自由度耦合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中基本粒子的軌道雜化與耦合、晶體結(jié)構(gòu)中的電子-電子和電子-聲子耦合以及聲子模關(guān)聯(lián)效應(yīng)等。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)可以對(duì)微觀體系的量子態(tài)進(jìn)行精確檢測(cè)與調(diào)控?；诙嘧杂啥锐詈系牧孔蛹夹g(shù)的進(jìn)步有望推動(dòng)第二次量子革命，對(duì)未來(lái)社會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)的影響。材料性質(zhì)的本質(zhì)來(lái)源可以歸結(jié)為微觀結(jié)構(gòu)中粒子的作用，比如：基本粒子和準(zhǔn)粒子表現(xiàn)出的量子限域效應(yīng)導(dǎo)致量子點(diǎn)具有可控自旋糾纏態(tài)［10-12］；多體相互作用誘發(fā)集體行為，引起超導(dǎo)、磁性和電荷密度波［13］；單層二維過(guò)渡金屬硫族化合物中出現(xiàn)自旋-谷相互作用，引起旋光效應(yīng)［14-15］。因此，在新材料的設(shè)計(jì)過(guò)程中，明確其量子參量之間的關(guān)系及對(duì)宏觀性能的影響對(duì)于新材料量子設(shè)計(jì)至關(guān)重要。近些年來(lái)，人們對(duì)量子材料展開(kāi)了大量的研究，包括具有d、f軌道價(jià)電子的磁性材料，晶格橫聲學(xué)模波長(zhǎng)趨于無(wú)窮大的鐵電材料，具有平帶效應(yīng)的二維材料和魔角材料以及具有量子霍爾效應(yīng)的拓?fù)洳牧希?6-25］。目前研究的體系多為低維材料體系，且研究條件苛刻，受外界干擾較大，如電輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)需要的超低溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件以及量子效應(yīng)觀測(cè)過(guò)程中的退相干現(xiàn)象都限制了功能材料量子設(shè)計(jì)的發(fā)展。因此，亟需開(kāi)展新材料量子設(shè)計(jì)的研究，明確材料設(shè)計(jì)過(guò)程中各量子力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系及對(duì)性質(zhì)的影響，構(gòu)建晶態(tài)材料量子圖譜，指導(dǎo)新材料量子設(shè)計(jì)。

材料介尺度量子設(shè)計(jì)的本源可以追溯到其電荷序、軌道序以及原子分子尺度的作用。通過(guò)多尺度、多層次和多因素的方法研究功能材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，探究其量子力學(xué)本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)新材料的量子設(shè)計(jì)。電子結(jié)構(gòu)方法是構(gòu)建量子體系的計(jì)算基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)從原子到體材料的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)因素包括軌道密度、勢(shì)能面、能級(jí)圖和光學(xué)躍遷、能帶結(jié)構(gòu)和相圖［19］?；陔娮咏Y(jié)構(gòu)方法并結(jié)合光譜學(xué)結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)解析，以此實(shí)現(xiàn)功能材料結(jié)構(gòu)信息的量子力學(xué)解釋?zhuān)?6-27］（見(jiàn)圖2）。基于以上方法，可以實(shí)現(xiàn)功能材料宏觀性質(zhì)的量子力學(xué)機(jī)制探究，為新材料量子設(shè)計(jì)提供支撐。

圖2 電子和核自旋的控制方法［27］Fig.2 Control methods of electron and nuclear spins［27］

2 介尺度團(tuán)簇和量子點(diǎn)的設(shè)計(jì)

介尺度團(tuán)簇材料作為介于微觀的原子、分子與宏觀凝聚態(tài)物質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)新層次，通常生成條件為非平衡狀態(tài)，是由幾個(gè)至幾百個(gè)原子、分子或離子通過(guò)物理或化學(xué)結(jié)合作用構(gòu)成的具有精確可控幾何與電子結(jié)構(gòu)的微觀或亞微觀多核聚集體［28］。而且，團(tuán)簇材料是凝聚態(tài)物質(zhì)的初始形態(tài)，是關(guān)聯(lián)原子、分子與量子點(diǎn)、薄膜和塊體凝聚態(tài)材料之間的橋梁，對(duì)在原子、分子水平上深刻認(rèn)識(shí)和發(fā)展介尺度特殊性能材料和理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律具有重要意義［29］（見(jiàn)圖3）。介尺度團(tuán)簇材料表現(xiàn)出一系列異于原子、分子和凝聚態(tài)固體、液體的新奇物理化學(xué)性質(zhì)，如在原子組成和數(shù)目上的連續(xù)可變性、幻數(shù)效應(yīng)和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、奇偶性和同位素效應(yīng)、溫度和相變效應(yīng)、界面效應(yīng)和結(jié)構(gòu)重排特性、超團(tuán)簇和分形凝聚效應(yīng)等［30］。對(duì)于小尺寸的團(tuán)簇，在結(jié)構(gòu)上每增加或減少原子的數(shù)目就會(huì)產(chǎn)生團(tuán)簇的基態(tài)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，引起物理、化學(xué)性質(zhì)的顯著變化。當(dāng)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)含有某些特定的原子數(shù)時(shí)，表現(xiàn)出類(lèi)似單個(gè)原子的穩(wěn)定特性，這就是幻數(shù)效應(yīng)，同時(shí)團(tuán)簇材料的幻數(shù)效應(yīng)和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與組成團(tuán)簇的鍵合作用關(guān)聯(lián)。因此，聚焦介尺度團(tuán)簇材料的反應(yīng)形成機(jī)理、穩(wěn)定性規(guī)律和多級(jí)構(gòu)效關(guān)系，設(shè)計(jì)構(gòu)造具有團(tuán)簇基基元獨(dú)特功能的能源、量子、信息與生物新材料，創(chuàng)新功能精確可控的團(tuán)簇新材料組裝與器件設(shè)計(jì)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。由于尺寸效應(yīng)，團(tuán)簇和量子點(diǎn)會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的物理化學(xué)性能，即量子效應(yīng)。基于介尺度動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特征，可以明確材料性質(zhì)的量子本源，這是材料介尺度量子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖3 從本體液體到結(jié)晶相的經(jīng)典（Ⅰ-Ⅱ）和非經(jīng)典（Ⅲ-Ⅴ，Ⅲ-Ⅳ-Ⅱ）路徑的比較：同時(shí)致密化和結(jié)晶度增加（Ⅰ）；簇（Ⅲ）和晶格（Ⅳ）形成的時(shí)間分離；團(tuán)簇與結(jié)晶相（Ⅴ）的合并［29］Fig.3 Comparison of classical（Ⅰ-Ⅱ） and nonclassical（Ⅲ-Ⅴ，Ⅲ-Ⅳ-Ⅱ） pathways from bulk liquid to crystalline phase：contemporaneous densification and increase in crystallinity（Ⅰ）；temporal separation of cluster（Ⅲ） and lattice（Ⅳ） formation；merging of clusters with crystalline phase（Ⅴ）［29］

伴隨介尺度團(tuán)簇的生長(zhǎng)，分形凝聚效應(yīng)逐漸表現(xiàn)顯著，反映出團(tuán)簇從非凝聚狀態(tài)向凝聚態(tài)的大尺寸材料的轉(zhuǎn)變，在尺寸上表現(xiàn)出從團(tuán)簇到量子點(diǎn)、薄膜和塊體的轉(zhuǎn)變［31］（見(jiàn)圖4）。量子點(diǎn)是把導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子（電子-空穴對(duì)）在3個(gè)空間維度束縛住的半導(dǎo)體納米材料，一般由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成。由于量子點(diǎn)粒徑（2~10 nm）小，激子運(yùn)動(dòng)受到三維空間的量子限域效應(yīng)，從而使宏觀體系下連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變?yōu)榫哂蟹肿犹匦缘姆至⒌哪軒ЫY(jié)構(gòu)，受激發(fā)后能夠發(fā)射出熒光，因而表現(xiàn)出一些獨(dú)特的量子化效應(yīng)，如量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)、介電限域效應(yīng)、量子遂穿效應(yīng)、庫(kù)侖阻塞效應(yīng)等［31-32］。在介尺度量子點(diǎn)功能新材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行核殼結(jié)構(gòu)、合金化、摻雜取代、表面鈍化、梯度組分調(diào)控和應(yīng)力調(diào)諧等新策略實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)在維度、電子能帶結(jié)構(gòu)、激子效應(yīng)等理化特性轉(zhuǎn)變［31］。此外，量子點(diǎn)具有強(qiáng)吸收、窄帶發(fā)射、強(qiáng)穩(wěn)定性、尺寸依賴(lài)的光致發(fā)光、高熒光量子產(chǎn)率和發(fā)射波長(zhǎng)從紫外和可見(jiàn)光波長(zhǎng)到近紅外波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)等優(yōu)異特性，在光電器件開(kāi)發(fā)和生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Γ?1，33］。而且，當(dāng)前部分量子點(diǎn)新材料已經(jīng)成功商業(yè)化應(yīng)用，如新型量子點(diǎn)電視、光電探測(cè)器和太陽(yáng)能電池等，故介尺度量子點(diǎn)功能新材料具有廣闊的應(yīng)用前景［32］。

圖4 量子點(diǎn)的性質(zhì)和應(yīng)用［31］Fig.4 Properties and applications of quantum dots［31］

3 功能晶體材料的介尺度設(shè)計(jì)

3.1 稀土離子4f電子/軌道的介尺度調(diào)控

4f電子離域在稀土金屬和金屬間化合物的低溫性質(zhì)中起著關(guān)鍵作用，通常通過(guò)多體Kondo效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是各向異性Kondo雜化在動(dòng)量空間和其他可能的離域機(jī)制中的重要性仍然未解決。由于4f電子大的庫(kù)侖斥力，在d電子系統(tǒng)中常見(jiàn)的帶寬控制Mott型離域在4f電子系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，并且在光譜實(shí)驗(yàn)中也難以觀測(cè)。近來(lái)，4f電子的帶寬控制軌道選擇性離域在熱退火外延Ce薄膜中得到實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)橥嘶疬^(guò)程中產(chǎn)生了層間距減小的亞穩(wěn)表面相（見(jiàn)圖5）［34］。

圖5 退火后的厚Ce膜在20 K下的電子結(jié)構(gòu)［34］Fig.5 Electronic structure of annealed thick Ce film at 20 K ［34］

在稀土金屬間化合物中由局域f軌道和傳導(dǎo)電子之間的耦合會(huì)產(chǎn)生豐富的物理現(xiàn)象。然而，由于晶體場(chǎng)分裂的能量尺度只有幾毫電子伏特，伴隨著集體晶體場(chǎng)激發(fā)的自由電子的性質(zhì)還很少被揭示。最近使用激光角分辨光電發(fā)射、拉曼和中子散射光譜，通過(guò)低于Néel溫度約17 K的異常磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變（稱(chēng)為“魔鬼階梯”）檢測(cè)CeSb的低能電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明自由電子與4f的四極晶體場(chǎng)激發(fā)了另一種電子-玻色子耦合軌道，它重整化Sb 5p帶，以非常低的能量（約7 meV）產(chǎn)生扭結(jié)［35］。這種耦合強(qiáng)度很強(qiáng)，并且在魔鬼階梯躍遷期間表現(xiàn)出異常的階梯狀增強(qiáng)，揭示了一種名為“多極極化子”的新型準(zhǔn)粒子，它由一個(gè)帶有四極晶體電場(chǎng)極化云的移動(dòng)電子組成。

下一代光互連和量子通信要求進(jìn)行高頻操控，需要材料發(fā)光頻率高、發(fā)光壽命短。由于4f-4f禁阻躍遷的存在，稀土離子摻雜發(fā)光的壽命通常為百μs到ms量級(jí)。目前，稀土發(fā)光壽命可以縮短至2 μs，但是仍然無(wú)法達(dá)到ns量級(jí)。最近，陜西師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的等離激元傾斜納米光腔技術(shù)，將納米光腔耦合的稀土Er摻雜發(fā)光壽命縮短至50 ns以下，在20個(gè)隨機(jī)納米光腔實(shí)驗(yàn)中，可觀測(cè)到的最短熒光壽命為29 ns，相較于自由空間中的稀土離子摻雜（發(fā)光壽命為52 μs），其發(fā)光壽命顯著地縮短［36］。

3.2 微觀缺陷與自旋缺陷

晶體中存在裂縫、云層、氣泡等宏觀缺陷，也存在微觀的或亞微觀的缺陷，如位錯(cuò)、孿晶、堆垛等，而在晶體表界面邊界上幾個(gè)分子厚度內(nèi)的點(diǎn)陣常數(shù)和鍵的結(jié)構(gòu)與內(nèi)部有差異。缺陷對(duì)晶體的物理性能具有兩面性，例如半導(dǎo)體材料的摻雜是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。晶體的缺陷和晶體的力學(xué)強(qiáng)度、物理化學(xué)性能等密切相關(guān)［37］。1921年A.GRIFFITH發(fā)現(xiàn)玻璃絲的實(shí)測(cè)斷裂強(qiáng)度僅為14 kg/mm2，玻璃絲愈細(xì)強(qiáng)度愈高。這是因?yàn)榧?xì)絲的表面積小，表面缺陷少，提高了玻璃絲的強(qiáng)度，例如最細(xì)的石英絲強(qiáng)度可達(dá)2 000 kg/mm2、玻璃絲可達(dá)400 kg/mm2，而較粗的樣品強(qiáng)度要小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。晶體的脆性斷裂主要?dú)w因于表面缺陷，如表面裂縫。但是，范性應(yīng)變歸結(jié)于晶體內(nèi)部缺陷，如位錯(cuò)。

缺陷研究已迅速延伸到適用于量子通信、傳感和計(jì)算的包含大量缺陷的宿主晶體。在介尺度上，從簡(jiǎn)單的自旋共振到長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程糾纏都會(huì)存在自旋缺陷，需要深入理解自旋缺陷存在下的自旋、光學(xué)、電荷和材料特性。自旋缺陷的研究對(duì)特定量子應(yīng)用發(fā)現(xiàn)新的相關(guān)系統(tǒng)尤為重要。圖6展示了研究固態(tài)材料中自旋缺陷的關(guān)鍵方向，包括缺陷和主體材料的性質(zhì)、缺陷工程和自旋缺陷調(diào)控途徑［27］。對(duì)于性質(zhì)研究，在自旋板塊顯示了Rabi振蕩期間的自旋投影，光學(xué)特性板塊需要研究系統(tǒng)間交叉缺陷中的泵浦（綠色）和光致發(fā)光（紅色），電荷板塊列舉了電荷轉(zhuǎn)換的躍遷能級(jí)。對(duì)于缺陷工程，材料領(lǐng)域展示了各種缺陷類(lèi)型和晶格位置。

圖6 應(yīng)用于量子信息科學(xué)中的固態(tài)材料自旋缺陷［27］Fig.6 Spin defects of solid materials applied in quantum information science ［27］

3.3 稀土晶體的量子態(tài)介尺度調(diào)控

磁電多鐵材料同時(shí)具有鐵電和（反）鐵磁有序，是一類(lèi)重要的新型非易失性存儲(chǔ)器材料體系，它的兩種不同序參數(shù)之間的相互耦合還能夠應(yīng)用于多態(tài)存儲(chǔ)。由于其具有較強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)，因而引發(fā)了大量的研究。近日，ARTYUKHIN等學(xué)者在GdMn2O5單晶中發(fā)現(xiàn)了沿特定“魔角”施加與移除磁場(chǎng)，導(dǎo)致鐵電極化反轉(zhuǎn)以不尋常的4態(tài)滯回出現(xiàn)，其中一半的自旋以90°的增量單向旋轉(zhuǎn)一圈，即類(lèi)似“曲軸”的微觀磁現(xiàn)象［38］。其中，線性往復(fù)變化的磁場(chǎng)類(lèi)似一枚活塞，而晶格中的Mn原子鏈相當(dāng)于傳動(dòng)軸，最終驅(qū)使自旋序發(fā)生了4態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)對(duì)鐵電極化的調(diào)控（見(jiàn)圖7）。

圖7 GdMn2O5的磁晶胞示意圖［38］Fig.7 Schematic diagram of magnetic unit cell of GdMn2O5［38］

德國(guó)馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一種理想的量子比特，它是通過(guò)位于硅晶體中的單個(gè)鉺原子實(shí)現(xiàn)的［39］。對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子比特，鉺是一種理想的摻雜原子，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：鉺發(fā)出的光具有出色的相干性；鉺發(fā)出的光發(fā)生在通信波長(zhǎng)附近。該研究團(tuán)隊(duì)得到的硅中摻雜鉺原子，最高能夠在8 K下觀察到優(yōu)異的相干性，降低了實(shí)現(xiàn)量子比特的溫度要求，在裝有液氦中的低溫恒溫器中就可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)鉺獲得的量子比特可以與現(xiàn)有的大規(guī)模光纖通信網(wǎng)絡(luò)匹配。

171Yb3+在稀土Kramers離子中是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗哂凶畹偷摹⒎橇?、電子自旋S=1/2和核自旋I=1/2以及產(chǎn)生4種狀態(tài)的最簡(jiǎn)單超精細(xì)流形。這能夠簡(jiǎn)化其光學(xué)和自旋光譜，并可能實(shí)現(xiàn)超精細(xì)水平的光學(xué)操作。ORTU等研究人員證實(shí)了電子自旋和核自旋同時(shí)誘導(dǎo)的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換同位素純化的171Yb3+：Y2SiO5晶體中的微波域和光域，在光學(xué)域和微波域中的相干時(shí)間分別大于100 μs和1 ms（見(jiàn)圖8a）［40］。這種效應(yīng)是由于高度各向異性超精細(xì)相互作用，使每個(gè)電子-核態(tài)成為糾纏的貝爾態(tài)。在171Yb3+：YVO4系統(tǒng)中，Yb3+的電子自旋S通過(guò)超精細(xì)相互作用張量A與其核自旋I耦合，有效自旋哈密頓量涉及與外部磁場(chǎng)B的相互作用［41］。圖8b顯示了YVO4晶體中171Yb3+的零場(chǎng)能級(jí)，對(duì)于平行于晶體c軸的偏振光，只允許自旋保持躍遷（A、E、I）。雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初步的微波-光學(xué)換能器，但是開(kāi)發(fā)與超導(dǎo)量子比特頻率（kMHz）和帶寬（10 kHz~1 MHz）相匹配的高效、低噪聲器件仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。該器件的小型化、材料和零磁場(chǎng)操作是稀土離子磁光器件的重要研究方向。

圖8 171Yb3+：Y2SiO5晶體的能量圖（a）［40］；171Yb3+：YVO4晶體的能量圖（b）［41］Fig.8 Energy diagram of 171Yb3+：Y2SiO5 crystal（a）［40］，Energy diagram of 171Yb3+：YVO4 crystal（b）［41］

被稱(chēng)為自旋液體的無(wú)序磁態(tài)在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)中都至關(guān)重要，其是一種具有自旋高度糾纏、即使在0 K下都不會(huì)形成有序的物質(zhì)態(tài)。Ising反鐵磁三角模型預(yù)測(cè)了這種經(jīng)典狀態(tài)，同時(shí)提出了需要額外的非交換項(xiàng)來(lái)誘導(dǎo)其量子態(tài)——量子自旋液體。但是，這些預(yù)測(cè)尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。最近研究報(bào)告了三角晶格反鐵磁體存在于NdTa7O19晶體中的證據(jù)，確定了它的磁性基態(tài)，其特征在于有效的自旋1/2自由度和類(lèi)似Ising的最近鄰相關(guān)性，并產(chǎn)生持續(xù)到最低可接近溫度為40 mK的自旋激發(fā)（見(jiàn)圖9）［42］。該研究證明了強(qiáng)自旋-軌道耦合在穩(wěn)定由磁各向異性產(chǎn)生的自旋液體中的關(guān)鍵作用，并強(qiáng)調(diào)了稀土鉭酸鹽（RETa7O19）是一類(lèi)重要的材料家族，可應(yīng)用于量子研究。

圖9 NdTa7O19的晶體結(jié)構(gòu)和磁基態(tài)［42］Fig.9 Crystal structure and magnetic ground state of NdTa7O19［42］

3.4 時(shí)間晶體

周期性振蕩可以出現(xiàn)在任何尺寸的系統(tǒng)中，如小到原子、大到行星。周期性振蕩常用來(lái)標(biāo)記時(shí)間。理論預(yù)言時(shí)間方向上平移對(duì)稱(chēng)性的破缺將導(dǎo)致“時(shí)間晶體”，但是它在熱平衡系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。時(shí)間晶體是一個(gè)孤立相互作用多體系統(tǒng)，其可以在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行振蕩，系統(tǒng)中大量粒子自由度的存在可以產(chǎn)生時(shí)間晶體。在超導(dǎo)體約瑟夫森結(jié)中的振蕩能夠永久持續(xù)下去，但是自由度會(huì)降低，這是因?yàn)樵跇O低溫中成對(duì)的電子會(huì)形成庫(kù)珀對(duì)，這些庫(kù)珀對(duì)會(huì)形成一種宏觀相干態(tài)，從而凍結(jié)了不同庫(kù)珀對(duì)的相位自由度。借助多體局域化系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以構(gòu)建時(shí)間晶體［43］。2016年，馬里蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)在10個(gè)囚禁鐿離子組成的自旋鏈中觀測(cè)到“離散時(shí)間晶體”，原子進(jìn)入穩(wěn)定的自旋狀態(tài)，且時(shí)間晶序在外部擾動(dòng)下穩(wěn)定性良好［44］。時(shí)間晶體是物相的新類(lèi)別，擴(kuò)展了物相的定義。

3.5 熱輻射體的對(duì)稱(chēng)性破缺

作為一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，熱輻射一般具有非定向、非相干、無(wú)偏振、寬光譜等特點(diǎn)。通過(guò)特殊的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)可以調(diào)控?zé)彷椛涞姆较?、角度、偏振、光譜等性質(zhì)，從而可以選擇性地調(diào)控?zé)彷椛涞陌l(fā)射和吸收。物體的發(fā)射率和吸收率是頻率、方向、偏振的函數(shù)，熱輻射體的空間對(duì)稱(chēng)破缺自然會(huì)改變其發(fā)射率和吸收率（見(jiàn)圖10）［45］。在線性熱光子學(xué)系統(tǒng)中，打破互易性的方法包括磁光效應(yīng)和時(shí)空調(diào)制。磁光材料的非對(duì)角介電張量引入了非互易性；而在基于行波調(diào)制的系統(tǒng)中，模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中的動(dòng)量匹配要求會(huì)產(chǎn)生非互易性。非互易熱光子學(xué)的潛在應(yīng)用包括提高光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和實(shí)現(xiàn)熱整流器件等。

圖10 熱光子學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性破缺，三類(lèi)非對(duì)稱(chēng)性：幾何結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性、電磁模式的不同對(duì)稱(chēng)性以及非互易性［45］Fig.10 Symmetry broken in thermophotonics.Three types of asymmetry：asymmetry of geometric structure，different symmetries of electromagnetic modes，and non reciprocity［45］

4 結(jié)論與展望

綜上所述，介觀尺度設(shè)計(jì)功能新材料將重點(diǎn)研究功能材料中的多自由度耦合對(duì)其宏觀性質(zhì)的影響，探究其性質(zhì)的量子力學(xué)來(lái)源（包括電子結(jié)構(gòu)、原子運(yùn)動(dòng)、疇結(jié)構(gòu)等因素），指導(dǎo)新型功能材料量子設(shè)計(jì)。針對(duì)功能材料量子設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地提出了將量子設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素整合為圖譜，通過(guò)分析各關(guān)鍵因素之間的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)通過(guò)晶態(tài)量子圖譜指導(dǎo)功能材料設(shè)計(jì)的目的。新材料的介尺度設(shè)計(jì)是將動(dòng)態(tài)過(guò)程中的量子力學(xué)參數(shù)按照對(duì)性質(zhì)的貢獻(xiàn)進(jìn)行排序，構(gòu)建出功能材料設(shè)計(jì)的能量地貌圖，定性、定量、定位地表達(dá)各種相互作用對(duì)功能材料性質(zhì)的貢獻(xiàn)，指導(dǎo)功能材料的多尺度量子設(shè)計(jì)。針對(duì)功能材料的量子設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，從電子和原子水平探究功能材料性質(zhì)的本質(zhì)及來(lái)源，通過(guò)控制介尺度動(dòng)態(tài)過(guò)程設(shè)計(jì)新材料?；谝陨涎芯坷L制晶態(tài)材料的量子圖譜，發(fā)展系統(tǒng)的功能材料多尺度量子設(shè)計(jì)方法，對(duì)于指導(dǎo)新材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分重要的推動(dòng)作用。