拓扑物理探新知

本文转自：科技日报

◎本报记者 陆成宽

“拓扑电子态的发现和研究，不仅深刻地改变了人们对物态的认识，而且为低能耗电子器件等变革性技术的发展带来无限可能。”中国科学院院士方忠在接受记者采访时介绍，国际上拓扑电子态的相关研究已经三次获得诺贝尔物理学奖。

6月24日，拓扑电子态研究领域再次成为焦点。以方忠等人为主要完成人的中国科学院物理研究所团队因“拓扑电子材料计算预测”获得国家自然科学奖一等奖。

搞清楚这项研究前，先说说什么是“拓扑”。拓扑学是数学的一个分支，主要研究几何图形在连续形变下保持不变的属性。

“比如，揉面团时，无论揉成球形，还是椭球形，面团外表面一直都在经历连续形变，但面团外表面所包裹的孔洞数目一直都是0。这个在连续形变下保持不变的孔洞数目，就是面团外表面的一个拓扑属性。”方忠形象地说。

同样，拓扑电子材料具有在连续形变下保持不变的拓扑稳定性，不会因为挤压形变而改变电子分布的拓扑特性。

“拓扑电子材料的最大特点是具有受到拓扑保护的边界导电态，而且该导电态具备动量-自旋锁定的特性，因此在开发低能耗、高主频、高容错的自旋电子器件方面具有潜在的应用价值。”方忠说。

事实上，方忠团队对拓扑电子材料的研究，最早可以追溯到2003年。“当时我刚刚从国外回到中国科学院物理研究所工作。那时，我在工作中发现，铁磁体中电子态形成的磁单极，贡献了内禀的反常霍尔效应。”方忠回忆。

2010年，方忠等人提出了实现量子反常霍尔效应的材料体系和具体方案；2013年，国际上多个实验团队在他们提出的材料体系中精准地观测到了量子反常霍尔效应，证实了理论预言。

谈起这些年的拓扑电子态研究历程，方忠感慨道：“俗话说，会者不难，难者不会。从‘不会’到‘会’需要长期积累、坚持不懈。在此基础上做出发现还需要一点点运气和灵感。”

2013年，方忠团队在研究拓扑绝缘体五碲化锆时，提出了分别用钽（Ta）和砷（As）对其进行电子和空穴双掺杂的设想。但随后，团队在与实验合作者讨论时意识到，Ta和As可能会形成稳定的相。于是，团队检索到化合物砷化钽（TaAs），并注意到它有一些独特的物理性质。最终经过计算分析确认，TaAs就是他们一直在寻找的非磁性外尔半金属。

“我至今还记得那一天，团队成员翁红明通过邮件将这个好消息告诉了我。我当时立刻用手机回复了‘非常棒’！大家都很兴奋。”方忠说，计算成果一经发布，就引起了实验验证外尔费米子的激烈竞争，TaAs成为世界上首个经实验确认的外尔半金属。

这一成果被英国物理学会评为《物理世界》2015年十大突破，也被美国物理学会评为2015年《物理》八大亮点工作等。2018年，该成果被美国物理学会选入《物理评论》系列期刊创刊125周年纪念文集，成为入选的49项重要研究中唯一来自中国的工作。

当前，拓扑新物态、新材料和新现象研究呈井喷式爆发，拓扑材料体系不断涌现。拓扑电子态的概念也被迅速推广到其他领域，产生了拓扑光子晶体、拓扑声子晶体、拓扑声波等。

“拓扑态是认识物质世界的全新视角，我相信拓扑时代的黎明即将到来。”方忠说。面向未来，方忠团队的研究重点方向之一是基于拓扑材料数据库，着重研究具有应用前景的拓扑材料和拓扑量子效应，包括磁性拓扑态、手性费米子、拓扑热电等，同时还要发展相关的材料和物性计算能力、制备和表征测量的实验设备等，推动拓扑电子器件的创新和应用。