拓撲電子態研究應用前景廣闊

未來，變革性技術會出現在哪個方向？

拓撲電子態及其材料研究，極有可能。

拓撲電子態是什么？中國科學院院士、中國科學院物理研究所所長方忠這樣解釋：“它是一大類新的量子物態，其研究對當前物理學的發展產生了深遠影響，不僅深刻改變人類對物態的認識，也為變革性技術的出現提供新的可能。”

2023年度國家自然科學獎一等獎頒給了由方忠院士領銜的“拓撲電子材料計算預測”。

對普通人來說，拓撲電子態太難弄懂，但要說到新拓撲材料的可能用途，大家或許就能明白，為什么這個領域會成為國際凝聚態物理界競爭的焦點和熱點。它能實現低能耗的電荷輸運，用于開發低能耗的電子器件；它將為未來磁存儲設備和量子計算機提供關鍵設備……

方忠領導的研究小組，是我國拓撲電子態及其材料研究的中堅力量。2003年起，研究團隊從零起步、跟跑、并跑到交替領跑，獨立做出若干具有國際影響力的工作——計算預測首個量子反常霍爾效應絕緣體、計算預測首個拓撲狄拉克半金屬和首個外爾半金屬、提出并實現判別拓撲性質的普適計算方法、建立拓撲材料數據庫……在關鍵時間節點上，他們引領了學科的發展，將我國推到拓撲電子材料研究的世界前列。

中國科學院物理研究所研究員翁紅明自2010年回國后，加入方忠團隊，并成為核心人員之一。2013年，他和同伴在眾多候選物中，經過計算分析，確認化合物砷化鉭（TaAs）就是一直在尋找的非磁性外爾半金屬。這一結果在國內外引起強烈關注，掀起實驗驗證外爾費米子的激烈競爭。最終，TaAs成為世界上首個經實驗確認的外爾半金屬。

那些伏案計算的日日夜夜、那些走了彎路的焦慮和失望、那些突破瓶頸的欣喜和鼓舞……如今再談起，都已云淡風輕。翁紅明更愿意談的是科學本身：“我們的研究不僅在拓撲材料上取得突破，更為凝聚態物理發展提供了一種新的研究范式——通過計算研究來推動實驗進展。”在他看來，物理固然是一門實驗科學，但發展到現在，理論研究應該發揮更大的指導作用，計算研究能從浩如煙海的化合物中迅速篩選出最具潛力的材料，從而加速新物態和新材料的發現。“我們已經形成‘理論計算—樣品制備—實驗測量—器件開發’的全鏈條正反饋研究模式。應該說，這一研究范式引領并推動了拓撲電子態研究領域跨越式大發展。”

理論研究仍要加強，但下一步更要關注如何調控拓撲物態、利用拓撲物性為功能器件的應用奠定基礎。方忠說：“前景廣闊！我相信，拓撲電子態研究的大門剛剛打開，拓撲時代的黎明即將到來！”

（本報記者齊芳）