2023年9月15日晚，由北京现代物理研究中心、北京大学物理学院、北京物理学会主办的“北京大学物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第十三期）在北京大学第二教学楼301教室举行。北京大学博雅讲席教授、中国科学院物理研究所学术委员会主任王恩哥院士应邀讲授“凝聚态物理的全量子效应”。本期讲堂由北京大学物理学院院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

1900年，普朗克（M. Planck）提出量子假说，后因“发现能量量子化而为物理学进展所做的贡献”（in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta）获诺贝尔物理学奖（1918年）；1913年，玻尔（N. Bohr）提出量子化的原子理论，后因“对原子结构及原子辐射的研究”（for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them）获诺贝尔物理学奖（1922年）；1926年，薛定谔（E. Schrödinger）提出用波动方程描述微观粒子运动状态的理论，后因“发现原子理论的新形式”（for the discovery of new productive forms of atomic theory）与狄拉克（P. Dirac）共享诺贝尔物理学奖（1933年）……王恩哥从同学们普遍感兴趣的量子通信、量子计算、量子精密测量等颠覆性技术创新回溯到原子模型的建立和量子力学的诞生，清晰地勾勒出物理学家对不确定世界的百年探索。

王恩哥带领同学们梳理量子简史

在薛定谔方程建立一年后，玻恩（M. Born）和奥本海默（J. R. Oppenheimer）在利用薛定谔方程研究小分子体系的分子振动、分子转动量子态时提出，可以近似认为质量较小、运动较快的电子和质量较大、运动较慢的原子核之间的运动是相对独立的，因而可以做分离变量求解——这就是玻恩-奥本海默近似（Born-Oppenheimer Approxiation，简称BO近似），自此被广泛用于处理凝聚态体系问题时的理论描述，大大简化了将量子力学应用于多体体系和复杂系统时的计算难度，成为求解大分子和凝聚态体系物理性质的第一步。王恩哥指出，人们在从薛定谔方程出发处理凝聚态体系的实际问题时，主要关心电子的量子化和电子-电子之间的多体关联效应，而原子核的量子化和电子-原子核之间的量子关联效应往往被忽视，因此利用第一性原理计算和基于BO近似的绝热动力学方法求解薛定谔方程时，仅对一个由电子-原子核组成的多体系统做了部分量子化。即使严格地遵循BO近似，依然会存在一部分重要物理内容的缺失，例如在研究非平衡动力学问题时经常遇到的非绝热效应。

1954年，玻恩和黄昆对利用完美晶格构型下的电子本征态加以完善，使得电子本征态的产生直接依赖于原子核的即时构型，由此给出更为准确描述原子核量子态及电-声耦合等非绝热过程的体系波函数——这就是玻恩-黄展开（Born-Huang Expasion），它为人们对真实的凝聚态体系进行全量子模拟（即将电子和原子核同事采用量子化的粒子进行模拟）奠定了基础。全量子效应描述的是基于原子核和电子自由度的全量子化理论所预言的物理和化学性质，可以分别从核量子效应、非绝热效应两个角度展开研究；根据侧重点不同，人们通常将原子核慢分量对电子快分量的演化进行绝热处理，研究核量子效应，也可以将原子核慢分量进行经典处理，研究非绝热效应。王恩哥阐释了氦的“超固体”性质、氢化镧“量子固体”的超导性、类金刚石结构的光吸收谱、钛酸锶的量子顺电性、质子量子隧穿导致脱氧核糖核酸基因突变、原子表面碰撞的非绝热通道等新奇物理现象，以及全量子效应在原子和电子结构、热力学性质、光学性质、铁电性质等诸多方面的应用。

王恩哥向同学们阐释“全量子化”的核心思想

王恩哥谈及自己近三十年来带领团队在全量子科学与技术领域完成的一系列颇具国际影响力的工作和在物理及其交叉学科前沿培养的一批年轻有为的学者，骄傲、自豪之情溢于言表：“从早期跟着别人跑，到我们可以跟别人同台竞争，到现在某些领域里，我们走在了他们的前面。”他还介绍了即将全面竣工的轻元素量子材料交叉平台，鼓励同学们在不久的将来加入世界上第一个轻元素量子材料综合研究中心，开发对电子量子态、轻元素原子核量子态同时敏感的理论方法和实验观测技术，研究核量子效应、非绝热效应对轻元素体系物性的决定性影响，从全量子化角度探索精准调控的有效途径，催生超越玻恩-奥本海默近似的全新量子物态。

理论计算与实验观测紧密合作的研究团队

课程结束之后，学生就学物理的意义、做物理的品味等提问。王恩哥不假思索地回答道：“物理的独特魅力在于其能够抓住最核心的本质，将复杂的问题简化；而我们所需要做的，就是把简单的事情做正确。”他继续说道：“第一，通过研究给出一个问题对’或‘错’的论断；第二，寻求开拓一项具有重大意义的研究项目；第三，通过研究来证实已经存在的理论或实验，或者这项成果被新的理论或实验进一步验证。如果能够满足其中一条，这就是一项可以发表的研究成果；如果能够满足其中两条，可以认为这是一项很好的研究，可能发表一篇高质量的论文；如果能够同时满足以上三条，那么，这将是物理学家一生中可遇而不可求的重要成就，或许可以成为物理学研究中的一篇传世之作。”

零距离交流中的思维碰撞

“做一个对自己有要求的人。”——十年前，王恩哥曾在北京大学“开学第一课”上这样寄语2013级新生；十年后，他又以这句话与参与“北京大学物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”的同学们共勉。

王恩哥（一排左四）、高原宁（一排左三）与来自物理学院及校内外其他单位的师生合影