Квантовые материалы — это обобщающий термин в физике конденсированного состояния, который охватывает все материалы, основные свойства которых не могут быть описаны в терминах полуклассических частиц и низкоуровневой квантовой механики. Это материалы, которые представляют сильные электронные корреляции или некоторый тип электронного порядка, такой как сверхпроводящие или магнитные порядки, или материалы, электронные свойства которых связаны с неуниверсальными квантовыми эффектами — топологические изоляторы, электронные системы Дирака, такие как графен, а также системы, коллективные свойства которых управляются действительно квантовым поведением, такие как ультрахолодные атомы, холодные экситоны, поляритоны и т. д. На микроскопическом уровне четыре фундаментальные степени свободы — заряда, спина, орбиты и решетки — переплетаются, что приводит к сложным электронным состояниям; концепция возникновения является общей нитью в изучении квантовых материалов.
Квантовые материалы демонстрируют загадочные свойства, не имеющие аналогов в макроскопическом мире: квантовая запутанность, квантовые флуктуации, устойчивые граничные состояния, зависящие от топологии объемных волновых функций материалов и т. д. Квантовые аномалии, такие как киральный магнитный эффект, связывают некоторые квантовые материалы с процессами. по физике высоких энергий кварк-глюонной плазмы.
История
В 2012 году Джозеф Оренштейн опубликовал статью в Physics Today о «сверхбыстрой спектроскопии квантовых материалов». Оренштейн заявил:
Квантовые материалы — это ярлык, который стал обозначать область физики конденсированных сред, ранее известную как сильно коррелированные электронные системы. Хотя область широка, объединяющей темой является открытие и исследование материалов, электронные свойства которых не могут быть поняты с помощью концепций из современных учебников по конденсированным средам.
В качестве парадигматического примера Оренштейн ссылается на крах теории ферми-жидкости Ландау из-за сильных корреляций. Использование термина «квантовые материалы» было расширено и применено к другим системам, таким как топологические изоляторы и электронные материалы Дирака. Термин набрал обороты с тех пор, как статья «The rise of quantum materials» была опубликована в Nature Physics в 2016 году. Цитата:
На тривиальном уровне все материалы существуют благодаря законам квантовой механики, и есть циники, которые втайне будут задаваться вопросом, не слишком ли широко и, ну, броско это описание для собственного блага. Но, учитывая историю физики конденсированного состояния, которую мы только что изложили, есть веские причины принять квантовые материалы. По сути, они обеспечивают общую нить, связывающую разрозненные сообщества исследователей, работающих над различными проблемами на переднем крае физики, материаловедения и инженерии.