近日，《量子材料基础与应用前沿》由中国科学技术大学出版社正式出版。该书入选“十四五”国家重点出版物出版规划重大工程“量子科学出版工程”，获国家出版基金资助，由学术期刊《npj Quantum Materials》执行主编、南京大学物理学院刘俊明教授编著。

《量子材料基础与应用前沿》（订购）

作者：刘俊明

中国科学技术大学出版社

作者简介

　　刘俊明，南京大学物理学院教授，曾获得国家级人才称号、获选美国物理学会会士。担任学术期刊《npj Quantum Materials》执行主编。主要从事关联电子体系中的量子及磁、电性质研究，包括多铁性、自旋阻挫、铁电物理方面的实验探索与理论模拟。在国际物理与应用物理主流学术期刊发表一批学术论文。

精彩文摘

前言

　　所谓量子材料，乃是一个2010年前后才开始有科学内涵定义的学科领域，虽然王恩哥老师20世纪末在一篇会议摘要中就首创了这一名词。过去十多年来，量子材料一直呈现青春激越之态而恣意生长。因此，要给这一领域划定一个明确的范畴，实不可能，亦不必要。不过，基于笔者主持国际上第一本以“量子材料”为主题的学术期刊《npj Quantum Materials》的经历，在此就教于读者，也是一种尝试。

　　回顾近现代材料科学的演化进程，笔者有一些自己的认知，不求严谨，但求简洁直观。近现代材料科学，大致可以按照结构材料、功能材料来分类。而今天的量子材料，则是材料科学新的发展。结构材料，主要根植于固体力学、材料力学和热力学，论及宏观和介观尺度结构机械性能关系。功能材料，主体源于电磁学、电动力学、光学、化学和热力学，论及光、电、磁、热、力等各种功能对微纳尺度微结构的依赖关系。结构材料和功能材料这两大类，各自还可以细分出很多层次，未可穷尽。

　　量子材料，从化学组成和晶体结构角度去审视，亦可归属于这两类。之所以量子材料被专门提取出来作为一个学科领域论及，一则乃是其主体源于电磁学、量子力学和固体物理，与经典结构材料和功能材料有很大不同；二则乃是当代文明社会生活正迈向量子科技产业，亦对量子材料这一学科领域提出了迫切需求。基于此两点理由，材料科学大概想不接纳量子材料亦不成。反过来，材料科学应与凝聚态物理一起，鼎力将量子材料这一分支学科的大厦建设好。

　　综上，有这样一本虽然不精致但具有一定可读性的科普图书，还是有些令人期待的。

　　事实上，在凝聚态物理学和材料科学中，难得有一学科领域如量子材料这般开放和多维度，赋予了这一领域无尽的深度与广度，令人印象深刻。这样宣称，乃基于如下初步认知：

　　（1）从能量尺度看，不同类的材料类差别巨大，铸就了它们各自的应用范畴。传统结构材料的结构性能关系关注100 eV以上的能标。诸如弹塑性形变，回复与再结晶，铸造、锻压、热处理、切削加工等过程，牵涉的都是巨大的能量交换。对功能材料，构建其结构性能关系所覆盖的能量尺度就降到了约10 eV范围。量子材料，既然面向当前和未来量子科技而勃发，则其功能响应覆盖的能量范围就降到了约1.0 eV甚至0.1 eV量级，在“服役”过程中会展现出完全不同的能量交换、转移和损耗过程。

　　（2）从对称性看，这些不同类别的材料，其表现亦大有不同。如果只讨论最常见的时间反演对称性和空间反演对称性，可看到传统结构材料很少涉及对称性问题。晶体螺位错缺陷也许具有几何手性，而孪晶铁弹结构依然保持时空对称性。电磁功能材料开始关注电、磁场的对称性问题，并衍生出物质科学依赖的对称性基础。但是，传统功能材料本身，还较少涉及对称性破缺的应用。量子材料就表现得极为不同。能量与对称性这两个基本物理概念，在量子材料中并驾齐驱，占据核心地位，成为一对极佳伴侣。至于为何在小能量的量子材料中对称性物理变得如此重要，亦是值得斟酌的问题。笔者以为，固体晶格对称性，最多亦只能在远小于化学键合能的能量过程中得到保持。

　　（3）从物理效应看，探索并利用新颖的固体量子效应，乃是量子材料的主要使命。众所周知，固体中电子相干运动过程，其能标趋近量子涨落量级，是小能标的效应与功能，与传统结构和功能材料关注的能量差距很大。正因为能标小，传统材料科学对这些效应的探索和关注严重不足，也缺乏深刻理解。例如，量子磁性、自旋相关的量子隧穿、电子库珀配对、反常霍尔效应、自旋波、量子纠缠等量子自由度集体激发，多是在量子材料范畴内得到关注。这些效应涉及的能量转换、迁移、响应过程，具有快、小、短的特点，对材料结构调控、制备方法、表征技术、质量控制和服役条件都有较高要求。

　　（4）从研究范式看，量子材料也展示出令人耳目一新的模式。传统材料科学基于结构性能关系的公理化框架，具有厚实的物理基础：因为过程的能标很大，其热力学自由能景观（energy landscape）表现为少数几个深势阱形态，材料结构性能关系很大概率上与这些深势阱一一对应。量子材料则完全不同，以安德森提出的“more is different”为标志，其效应更多是热力学自由能景观中的群峰叠嶂共同作用所致。

　　当然，对量子材料的认知，未来还可以展示出更多新视角、新维度。但无论如何，量子材料是材料科学的一片新天地，横跨所有已知、未知的材料类别，只是被探索被关注的能标、对称性、物理效应不同而已。站在高处，俯瞰量子材料的山群川网，读者能看到，那些大量粒子或准粒子组成的宏观或介观尺度的凝聚态及其基本规律，展现出壮观图景：从费米子到玻色子、从基态到低能激发、从材料到器件再到量子科技之源，其面貌恢弘潇洒，其演化朝春夕秋。

　　然而，对如此开放包容、纵横多面的新学科，如何能写出一本看起来像书的书呢？笔者以为绝非易事，至少要顾及如下层面：

　　（1）读者的认知度。大多数自然科学读者，甚至是材料科学读者，未必深刻理解什么是量子材料。写这样的一本书，必然在一定程度上要舍弃物理涵义的严谨性，以换取内容的通俗易懂。如果能从大学物理，最多是固体物理初级知识层面去呈现量子材料的方方面面，读者应该不那么反感，会在茶余饭后愿意翻阅几页、浏览几章。

　　（2）物理知识的宽广度。传统材料科学分为金属、无机非金属和高分子三个材料分支，纵向并行。这也意味着，材料科学范围太过宽泛，要一人三栖，难度很大。然而，量子材料的研究模式取横跨而非纵行，要求量子材料人对三个分支都要有所了解，才能为探索其结构性能关系做一些铺垫。量子材料关注电子结构及其响应功能，依赖的表征方法艰深、繁多，建造并熟练操控这些方法就有很多挑战。整体而言，量子材料研究需要掌握的物理知识更为宽广。量子材料人大多“大器晚成”，虽然一旦“器成”便是龙凤，其原因可能于此。要在一本书中纵横如此宽广领域，也对作者的知识宽广度提出了要求。

　　（3）可读性。现代信息社会，知识传播量大面广，各类书籍繁多，对读者提出了更高要求。一本书，能否以一种独特文风和语言风格吸引读者，或者泛化说“可读性”，大约也是此书能否在读者记忆里留下雪泥鸿爪的要素之一。对量子材料书籍，可读性就显得更加重要，因为这是一门崭新的学科、一门内涵相对艰涩难懂的学科，需要更多面的写作技巧和呈现维度。

　　《量子材料基础与应用前沿》在系统梳理量子材料的概念演化、前沿动态的基础上,从超导物理与材料、关联物理与材料、拓扑物理与材料、低维量子材料、能量材料中的量子现象等角度,关注相应量子材料领域的科学问题,并对其未来的发展前景及应用进行探究。

　　时光荏苒，到了今天，量子材料的内涵与外延依然在不断深化拓展：从关联电子物理开始，量子材料强调过渡金属离子外层轨道电子在位库仑作用的重要性，覆盖的分支从非常规超导电性，到关联磁性材料，到强自旋轨道耦合，再到量子磁性中自旋阻挫。所有这些，都是在压制周期晶格中电子波函数的动能项，提升非周期的势能项的重要性。随后，拓扑量子材料、二维材料(包括魔角材料)、铁电金属、热电材料、其他关注低能激发效应的能源材料，都逐渐被纳入量子材料范畴。泱泱以大观，纵横以高远！

　　本书撰写体例，并非遵循教学参考书模式，皆是因为这一领域目前尚处在万花竞妍之态，并无一完备、可资依赖的基础框架。亦因此，本书选择量子材料研究前沿受到关注的一系列科学问题，逐个进行梳理，以科普的语言展示笔者对每个问题的粗浅理解，各自成篇。因此，本书可能更适合初入此道的研究生和青年教师阅读，虽然对整个研究物质科学的年轻读者亦应有所裨益。在撰写风格上，每一篇试图从大学物理知识切入，尽可能将科学问题的梳理提炼嵌入“能量图景”和“对称性图景”中，以求可读性和逻辑清晰感。读者阅览本书，免不了有“行文恣意、严谨不足、牵强有余”之感。每篇的后半部，可能涉及专业度更高的知识，需要读者前往阅读相关文献以加深了解，虽然笔者已竭尽所能化繁为简。

本文摘编自《量子材料基础与应用前沿》（刘俊明编著，中国科学技术大学出版社，2024年9月出版）一书“前言”，有删减

　　来源：中国科学技术大学出版社