量子材料

量子材料は、凝縮物質物理学における包括的な用語であり、半古典的粒子や低レベルの量子力学では本質的な特性を説明できないすべての材料を包含する。^[1]これらは、超伝導や磁気秩序などの強い電子相関や何らかの電子秩序を示す材料、または電子特性が非一般的な量子効果（トポロジカル絶縁体、グラフェンなどのディラック電子系）にリンクしている材料、および集合特性が真に量子的な振る舞いによって支配されているシステム（極低温原子、低温励起子、ポラリトンなど）である。微視的レベルでは、電荷、スピン、軌道、格子の4つの基本的な自由度が絡み合い、複雑な電子状態が生じる。^[1]創発の概念は、量子材料の研究における共通のテーマである。^[2]

量子物質は、量子もつれ、量子ゆらぎ、物質のバルク波動関数のトポロジーに依存する堅牢な境界状態など、マクロの世界には見られない不可解な特性を示します。^[1]カイラル磁気効果などの量子異常は、一部の量子物質をクォークグルーオンプラズマの高エネルギー物理学の過程と結び付けています。^[3]

2012年、ジョセフ・オレンスタインはPhysics Todayに「量子物質の超高速分光法」に関する 記事を発表しました。 ^[4] オレンスタインは次のように述べています。

量子材料は、以前は強相関電子システムと呼ばれていた凝縮物質物理学の領域を表すようになった名称です。この分野は広範囲にわたりますが、統一的なテーマは、現代の凝縮物質の教科書の概念では理解できない電子特性を持つ材料の発見と研究です。

典型的な例として、オレンスタインは強い相関によるランダウ・フェルミ液体理論の崩壊に言及している。「量子材料」という用語の使用は拡張され、トポロジカル絶縁体やディラック電子材料などの他のシステムにも適用されている。この用語は、2016年にNature Physicsに「量子材料の台頭」という記事が掲載されて以来、勢いを増している。^[2]引用:

些細なレベルでは、すべての物質は量子力学の法則のおかげで存在しており、その説明があまりに大まかで、キャッチーすぎるのではないかと内心疑問に思う懐疑論者もいるだろう。しかし、ここで概説した凝縮物質物理学の歴史を考えると、量子物質を受け入れる十分な理由がある。本質的に、量子物質は、物理学、材料科学、工学の最前線でさまざまな問題に取り組んでいるさまざまな研究者のコミュニティを結びつける共通の糸を提供する。