国际科学技术前沿报告2020

1 凝聚态物理国际发展态势分析 吕凤先 刘小平 赵建（中国科学院文献情报中心） 摘要凝聚态物理的研究对象包含液体、固体、液晶、玻璃、溶胶、分子间距较小的稠密气体等。凝聚态物理具体研究其中的由大量微观粒子（原子、分子、离子、电子等）组成的凝聚态微观结构、粒子间的相互作用和运动规律，从而理解材料整体的力、热、光、电、磁等物理特性。凝聚态物理不仅包含半导体物理、磁学、电介质物理、金属物理等传统学科分支，还包含准晶物理学、团簇物理、关联电子体系物理、介观物理与无序体系物理等新分支。 凝聚态物理研究日常生活、工业生产、航空航天、量子信息技术、未来能源、先进制造业所需要的材料，是国家信息和能源发展战略的基础学科，具有重要的战略意义。 美国、英国、欧盟、韩国、中国等国家/组织通过发布战略﹑计划或路线图对凝聚态物理研究进行了顶层规划。美国国家科学基金会（NSF）和能源部（DOE）、欧洲研究理事会（ERC）、英国工程与自然科学研究理事会（EPSRC）、中国国家自然科学基金委员会（NSFC）等机构均对凝聚态物理项目进行了持续资助。 中国科学家在新型铁基高温超导材料、拓扑物态、提高钙钛矿太阳能转换效率等领域取得了重要进展。基于科学引文索引（SCI）论文的定量分析表明，中国在凝聚态物理领域的科研活动活跃，具有较高的学术影响力。基于中国及世界其他主要国家的发展情况，建议在拓扑序描述、拓扑现象观测、拓扑相、电极等方面加强研究，并加大各研究领域的联系，在凝聚态物理的量子器件与材料领域加大投入力度。 关键词 凝聚态物理 战略 项目 文献计量 趋势 1.1 引言 物质常见的三态是气态、液态和固态。其中，液态和固态物质属于凝聚态物质的范畴。除了这两种物质状态，介于其间的状态（液晶、玻璃、溶胶等），以及分子间距较小的稠密气体也都属于凝聚态物质的范畴。凝聚态物理主要研究这些物质中的由大量微观粒子（原子、分子、离子、电子等）组成的凝聚态微观结构、粒子间的相互作用和运动规律，从而理解材料整体的力、热、光、电、磁等物理特性。构成凝聚态物质的粒子的内禀属性和空间运动具有多个自由度，而凝聚的形式又可以在外场的作用下呈现多种变化，展现出丰富、复杂又迷人的物理现象。 据美国物理学会（American Physical Society，APS）网站介绍凝聚态物理于1978年取代了固体物理学科这一物理学分支，是现在*大的一个物理学分支学科（APS，2021）。因而凝聚态物理的研究范畴不仅包含传统固体物理学所拥有的各分支，如半导体物理、磁学、金属物理等，还包含众多新分支，如准晶物理学、团簇物理、电子体系物理、介观物理与无序体系物理等（邓韬，2019）。该学科具有强调基础研究，但又不脱离技术应用的特征。 凝聚态物理研究日常生活和工业生产中需要的材料，也研究航空航天等领域需要的特殊材料，在材料、信息和能源等领域具有重要的社会意义和战略意义。其与其他物理学分支、计算机科学、化学和生物学等有密切的交叉与融合。凝聚态物理的思想，比如自发对称破缺，在粒子物理的发展中起到至关重要的作用；反之，凝聚态物理中的准粒子等概念则借鉴于粒子物理。凝聚态物理中每个新材料和新现象的发现，都有可能诱发或产生一个新的学科方向或领域，孕育一个新的行业应用。 1.1.1 基于诺贝尔物理学奖的凝聚态物理发展情况 从诺贝尔物理学奖的学科分类统计数据看，截至2017年，凝聚态物理、理论物理、高能物理、粒子物理、原子与原子核物理、实验及应用物理占据了大部分奖项。20世纪80年代以后，凝聚态物理领域获得多次诺贝尔奖（教育部科技发展中心，2018）。 1901年以来，被授予诺贝尔奖的凝聚态物理的研究内容主要有：液氦物理性质和理论研究（1913年）、将 X射线衍射技术（1915年）和中子衍射技术（1994年）应用于结晶学、金属在受热后发射电子的机制（1928年）、BCS理论①（1972年）、超导体的约瑟夫森效应（1973年）、半导体中的量子霍尔效应（1985年）、与相变有关的临界现象的重整化理论（1982年）、整数量子霍尔效应（1985年）、高温超导体（1987年）、超流体（1996年）、分数量子霍尔效应（1998年）、玻色-爱因斯坦凝聚态的研究（2001年）、巨磁阻效应（2007年）、石墨烯材料（2010年）、拓扑相变以及物质的拓扑相的理论发现（2016年）等。在以上研究中，中子衍射技术、高分辨率共振非弹性X射线衍射作为重要设施，促进了凝聚态物理的重要发现。 下文将对上述玻色-爱因斯坦凝聚态、高温超导体、拓扑物态、超流体领域的重要进展进行综述。 1.1.1.1 玻色-爱因斯坦凝聚态研究的重要进展 2010年，德国汉诺威大学研发出一种新仪器，内部安装有原子芯片、螺线管、激光器和摄像头，能够在失重条件下获得玻色-爱因斯坦凝聚态（科技部，2010）。2013年11月，英国和澳大利亚科学家组成的科研团队提出了一种新方法，能更好地测量玻色-爱因斯坦凝聚态，以及消除因观察而产生的加热效应。具体地说，就是通过一种过滤器和反馈系统来控制非共振光加热效应，形成了对玻色-爱因斯坦凝聚态的纯冷却。未来，该项研究在基础科学领域的运用包括：精确测量重力的原子激光器，研究黑洞霍金辐射模型，探测潜艇、井下储仓和其他危险环境等（刘霞，2013）。2014年9月，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室生产了玻色-爱因斯坦凝聚态（NASA，2017）。除了在对玻色-爱因斯坦凝聚态的制备和测量方面取得的进展，其性质研究（Feng et al.，2019）和基于玻色-爱因斯坦凝聚态的准粒子的研究（Yan et al.，2020）也取得了重要进展。 1.1.1.2 高温超导体的重要进展 氢化镧在170万 atm①、250K（.23.15℃）条件下呈现超导性。2019年，德国马克斯 普朗克化学研究所的米哈伊尔 叶列梅茨（Mikhail Eremets）与其同事在250K温度下实现了氢化镧的超导性：在相当于170万 atm下，氢化镧表现出温度下降时电阻下降的特性；可以用更重的同位素替换样品中的元素来影响超导转变温度；目前第三条证据，即迈斯纳效应正在研究之中。2020年，研究人员通过调整这一材料体系的组成，将超导转变温度提高到287K（13.85℃）。 高温超导现象的理论探索。俄罗斯科学院应用数学研究所的物理学家维克托（Viktor Lakhno）认为平移不变双极化子气体理论是高温超导理论的基础。根据他的理论，可以通过降低载流子有效质量、提高声子频率、提高双极化子浓度的方式提高临界温度。中国科学院物理研究所向涛等指出，建立新的多体量子理论体系是研究高温超导机理的必要条件（向涛，2017）。 1.1.1.3 拓扑物态的重要进展 1980年，克劳斯 冯 克利钦（Klaus von Klitzing）教授在高质量半导体界面中的二维电子气里发现了量子霍尔效应，并因此获得了1985年度诺贝尔物理学奖。量子霍尔效应被认为是一个对基本物理常数有重大意义的固体宏观量子效应，该发现是20世纪以来凝聚态物理和有关新技术综合发展所取得的重要成果。2005年，美国科学家凯恩（C. L. Kane）、张首晟等提出量子自旋霍尔效应，从而开启了对具有量子自旋霍尔效应的拓扑绝缘体的研究。2010～2013年，中国科学院物理研究所与张首晟合作提出磁性离子掺杂拓扑绝缘体薄膜以实现量子反常霍尔效应的方案，清华大学和中国科学院物理研究所联合组成的实验团队在世界上首次观测到了量子反常霍尔效应。2013～2015年，中国科学院物理研究所、牛津大学、普林斯顿大学等研究组织通过理论预测和实验测量，发现了狄拉克半金属、外尔半金属等拓扑半金属体系，从而把拓扑物态分类从绝缘体推广到了金属，使得拓扑物态成为凝聚态物质的第二大分类方式。因此，2016年诺贝尔物理学奖被授予20世纪80年代在理论上发现物质拓扑相及其相变的三位物理学家。1987年，哈佛大学从理论上预言了三维体系中可能存在三维量子霍尔效应，并给出了它的物性特征。2018年底，中国科学家利用楔形拓扑半金属砷化镉纳米片，在低温强磁场实验条件下，通过对不同厚度朗道能级的研究，观测到基于外尔轨道的新型三维量子霍尔效应。2019年，中国科学家与新加坡﹑美国的科学家合作，在五碲化锆块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应（Tang et al.，2019）。中美科学家以拓扑量子化学理论为基础，设计自动化流程，在自然界中筛选出可能具有拓扑结构的材料，改变了拓扑量子材料的研究范式。2019年，新加坡南洋理工大学与浙江大学的研究团队，基于笼目格（kagomé lattice）研发并展示了二阶声学拓扑绝缘体。该类拓扑绝缘体能够进行四极子极化，并具有可量子化的非平庸体拓扑瓦尼尔中心（Xue et al.，2019）。与此研究相似，纽约城市大学城市学院从理论和实验上证明了三维印刷二维声学元结构可以具有非平凡的体拓扑极化特性，并且具有独特的声学特性，可以容纳一维边和瓦尼尔型的二阶零维角态（Ni et al.，2019）。 1.1.1.4 超流体的研究进展 1937年，苏联物理学家卡皮查（P. Kapitza）发现，将液氦4He的温度冷却至2.17 K以下时，它能够很快流过0.5μm宽的玻璃狭缝。他将这种没有黏滞性的流体性质称为超流，即一种可与超导媲美的宏观量子效应。20世纪40年代，物理学家昂萨格（L. Onsager）、兰道（L. Landau）、费曼（R. Feynman）等在理论上发现，旋转超流体宏观波函数中存在拓扑奇异点，原子会围绕这些拓扑奇异点做旋转运动—量子涡旋。继而，量子涡旋成为超流性质*直接的证据。戴维 李（D. Lee）、奥谢罗夫（D. Osheroff）、理查森（R. Richardson）等将液氦3He冷却至2.5 mK以下，并首次观测到费米液体的超流性，获得1996年诺贝尔物理学奖。1995年，康奈尔、维曼、克特勒等利用超冷原子（康奈尔和维曼使用铷原子，克特勒使用钠原子）实现了玻色超流体。2005年，美国麻省理工学院制备出高温费米子超流体，并实际观测到超流体的运动，研究人员将属于费米子的锂同位素6Li的原子蒸气冷却到亿分之五开①，并观察到超流体现象（科技部，2005）。2016年，中国科学技术大学实现了质量不平衡的玻色.费米双超流体②，在10 nK的极低温条件下，获得了高达150万锂原子和20万钾原子的双超流体（中国科学技术大学，2016）。 1.1.2 基于重要奖项的主要国家的凝聚态物理发展情况 在凝聚态物理领域，各国主要奖项可以在一定程度上反映国家层面凝聚态物理的主要进展。 2009～2020年，美国在自旋相关隧穿、准晶理论、角分辨光发射光谱、拓扑绝缘体、磁性纳米结构控制、石墨烯非传统电子性质、超导体.绝缘体转变、应变量子激光器、光子晶体、拓扑序理论、无序材料物理和跳跃导电性、石墨烯超导等研究中获得重要突破（表1-1）。 表1-1 2009～2020年奥利弗 E.巴克利奖 2011～2018年，欧洲在微观结构理论、化学平衡和动力学理论、流体中的量子过程理论、疏水性理论、玻璃化理论、自旋冰中磁单极子、氧化物界面电子液体、 MnSi磁斯格明子相、高分辨率共振非弹性 X射线散射等领域取得重要进展（表1-2）。 表1-2 2011～2018年欧洲物理学会（EPS）颁发的凝聚态物理研究的奖项* 表1-3 2009～2019年英国物理学会（IOP）在凝聚态物理领域颁发的奖项 中国科学家在新型铁基高温超导材料、拓扑物态等领域取得了重要进展。①铁基高温超导：中国科学技术大学和中国科学院物理研究所先后在国际上突破麦克米兰极限温度（表1-4），分别发现43K的氟掺杂