现代物理前沿之：量子材料与拓扑绝缘体

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现代物理前沿之：量子材料与拓扑绝缘体

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

量子材料（quantum materials）是指利用量子态的特性、物理性质或者结构设计的材料。随着科技的进步，越来越多的新型材料在材料科学、化学工程、材料制造等各个领域取得突破性成果，这些材料的设计中都融入了量子技术。近年来，数量巨大的量子信息处理设备（quantum computers）已经使得量子材料得到了广泛关注。 拓扑绝缘体（topological insulators）也是利用拓扑相对论理论构造出来的一种新的电性材料，其组成单元由费米子和玻尔兹曼机械振荡体构成。拓扑绝缘体可以构建出无限维度的金属带隙（metals with gaps），从而提供足够高的耐磁强度和可靠性，具有广阔的应用领域。但由于其缺乏理想晶体、自由基、界面和双向导通性，目前还没有像金刚石一样用于制造其他各种重要产品。因此，如何将拓扑绝缘体用于实现更强的电性材料，提升材料性能，成为一个研究热点。 本文的作者是物理学博士陈光剑，他曾经就读于中国科学院大学（CCU）计算所，获得理学和天文学双学位。他的研究方向主要集中在量子信息、拓扑学、材料科学和应用物理。陈光剑先生是量子计算领域的奠基人之一，并长期致力于量子材料与拓扑绝缘体的研究。除了量子材料与拓扑绝缘体方面的工作外，陈光剑还担任CCU计算所青年教师、中国科学院基础科学委员会委员、中国科学院计算技术研究所副所长等职务。 本文根据陈光剑博士的相关工作，结合自己对量子材料与拓扑绝缘体的研究成果，基于“现代物理前沿”的视角，为读者呈现量子材料与拓扑绝缘体的科研价值、技术优势和未来发展方向。本文共分七章，分别介绍量子材料和拓扑绝缘体的相关概念、理论、算法以及实践。最后还提供了量子材料的示范模型，旨在对读者展现量子材料的产生过程及应用价值。