近年来，人们对量子强相关材料的兴趣快速增长，这些材料显示出不寻常的电子、光学和磁性特性，包括金属-绝缘体转变、超导性和电荷密度波量子凝聚相。揭示量子现象的材料通常是结晶的，化学纯的，并且具有低密度的缺陷，因为缺陷和无序会导致量子态的坍缩，正因为如此，复合材料将两种或多种具有不同特性的材料组合在一起，因此无序的材料，在这个透镜下没有被考虑。然而，由 Alexander Balandin 教授领导的加州大学河滨分校研究小组最近的工作报告了基于聚合物的量子复合材料，其填料由范德华材料1T-TaS2组成，该材料揭示了多种量子凝聚相。
光学、热学和电学特性表明，在苛刻的复合加工步骤后，量子态仍然存在。复合材料的宏观性能在室温以上仍表现出电荷-密度-波量子相变的特征。
所研究的量子复合材料显示出异常高的介电常数（超过两个数量级的增强）同时保持电绝缘。后者为这些材料在储能和电子产品中的应用开辟了可能性（见图 1）。
图 1.具有电荷密度波量子材料的量子复合材料。(a) 1T -TaS2 晶体的扫描电子显微镜图像 (b) 使用低功率浴超声处理的化学剥离方法的图示 (c) 具有 1T -TaS2 填料（左）和双重 1T -TaS2 和 h-BN 的柔性复合薄膜填料（右）(d) 块状 1T -TaS2、剥离填料和含1T -TaS2 填料的稀释环氧树脂复合材料 在 T = 93 K 时的拉曼光谱。拉曼光谱揭示了电荷密度波量子凝聚相的存在所有处理步骤。
发表在《先进材料》上的论文“ Quantum Composites with the Charge-Density-Wave Fillers ” 报道了这一突破性成果。该论文的前两位作者Zahra Barani和Tekwam Geremew是Balandin教授领导的声子优化工程材料(POEM)研究中心的博士生。
据说所获得的结果提出了一种概念上不同的方法来设计材料的特性。它们还扩展了分层范德华材料的应用领域。
“很长一段时间以来，人们都知道一些电荷密度波材料表现出非常高的介电常数，”Balandin 解释道。“这种效应的物理机制已经被研究界解释和接受。然而，这种特性没有实际用途——在易碎的结晶大块样品中观察到了这种介电特性，这些样品具有很高的导电性。我们在稀释的复合样品中获得了极高的介电常数，这些样品具有电绝缘性和柔韧性。在室温以上观察到介电常数的增加，更具体地说，是在电子设备的运行温度下。”
具有电荷密度波量子填料的聚合物基稀复合材料的异常高介电常数超过了许多先前报道的复合材料，并为与可变电容器、电容传感器、储能电容器和反射涂层相关的一系列创新应用提供了潜力。据称，量子复合材料介电常数发生剧烈变化的温度范围接近许多电子器件的工作温度，增加了此类复合材料能量应用的可行性。
任何新型复合材料实用性的另一方面是生产成本。剥离范德华填料可以通过可扩展和成本效益的液相剥离技术生产。它已经被用于加工用于热界面材料的石墨烯填料。带有电荷密度波填料的量子复合材料概念的自然延伸将是使用一维范德华量子材料，它揭示了强相关的量子和拓扑现象。
在这个研究方向上必须应对的其他挑战包括高纵横比准一维填料的均匀分散和合成材料多型体的控制。根据研究团队的说法，如果能够实现，就有可能开发出具有其他方法无法实现的电学和光学性能的新型复合材料。
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