近日，2023年度國家科學技術獎勵揭曉，共評選出250個項目。其中，中國科學院物理研究所方忠團隊的研究成果“拓撲電子材料計算預測”獲國家自然科學獎一等獎，這也是中國自然科學領域的最高獎項。長期以來，該團隊致力于凝聚態物質中新奇量子現象的計算與理論研究。

　　方忠用“揉面團”舉例，對記者解釋自己研究的究竟是什么：在揉面團時，面團的外表面就在經歷連續形變，在這個形變過程中，外表面包裹的孔洞數目是0，“沒有改變”。但若是要做面包圈，就要撕破面團并重新粘連做成一個圈，這時面包圈表面包裹的孔洞數是1；揉、壓這個面包圈，孔洞數還是保持1，“不會變化”。

　　“在連續形變下保持不變的孔洞數目，就是一個拓撲屬性，可以用來描述和區分這兩種不同的曲面，被稱為拓撲不變量。”方忠說。閉合曲面的撕裂和黏合，會使得拓撲不變量發生變化，這就是拓撲相變。

　　方忠表示，要了解一個幾何圖形的拓撲特性，僅僅抽出一小塊區域來研究是不行的，需要進行整體的全局研究。這和人們通常認識的物質不一樣。比如，從一大塊冰上敲出一小塊，只研究這一小塊也仍然是冰，且是固態的。但從面包圈和面團上各挖出一小塊來，盡管這兩個局部小塊看起來是一模一樣的，但它們原本母體的拓撲性質完全不一樣。

　　“數學是描述大自然的最好的語言。拓撲，這么一個有趣的語言，描述的就是我們研究的拓撲電子材料。”方忠說。科學家把那些電子分布狀態具有非零拓撲不變量的固體材料，稱之為拓撲電子材料。

　　方忠回憶自己對拓撲電子材料的研究，可以追溯到2003年。當時，他剛到中國科學院物理研究所工作，發現了鐵磁體中電子態形成的磁單極，貢獻了“內稟反常霍爾效應”。2005年，拓撲絕緣體研究在國際上開始興起。方忠和理論物理學家戴希一同關注到這個領域，并開始合作研究拓撲電子材料。2009年，該團隊通過計算，預測Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等是三維拓撲絕緣體，隨后與實驗合作進行了驗證。2010年，該團隊提出了通過Cr或Fe等磁性摻雜Bi2Se3族拓撲絕緣體薄膜實現量子反常霍爾效應的具體方案。

　　“2010年，翁紅明從日本回國，加入我的團隊；王志俊當時是我們的研究生。2013年，國內外許多實驗小組按照我們提出的方案，在這些材料體系中實現了量子反常霍爾效應。我們的學生余睿也參與了這個工作。于是我們5個人的團隊開始了拓撲電子材料的合作研究。”方忠說。

　　在這條研究之路上，方忠團隊不斷遇到新的挑戰。2011年，團隊提出了鐵磁性Hg2CrSe4可能是沒有時間反演對稱的外爾半金屬。可惜的是，這樣的磁性體系具有復雜的磁構型和磁疇，實驗表征非常困難，至今也沒能得到實驗證實。

　　在方忠看來，研究想要出成果，需要長期積累、反復和堅持。在這個基礎上，得出發現“還需要一點點運氣和靈感”。

　　他從自己開始研究鐵磁金屬中的磁單極和內稟反常霍爾效應計算，20多年來，最初他甚至不知道什么樣的材料能夠滿足研究目標的苛刻條件。2010年，團隊成功設計了磁性拓撲絕緣體，才實現量子反常霍爾效應。

　　正是這些年復一年的摸索和積累，團隊一步步對調控電子能帶的拓撲結構有了豐富的經驗和深刻的認知。他們在這個領域作出的重要發現之一，是成功計算預測TaAs家族材料是拓撲外爾半金屬。

　　2013年，方忠團隊在研究拓撲絕緣體ZrTe5的時候，提出了對其進行電子和空穴雙摻雜的設想，分別可以用Ta和As這兩個元素的原子。但隨后，團隊跟實驗合作者討論，意識到Ta和As可能會形成穩定的相，隨后檢索到TaAs這個化合物，并注意到它有一些獨特的性。

　　“于是我們就開始仔細計算TaAs的電子結構，經過分析初步確認，TaAs就是我們一直在尋找的非磁性的外爾半金屬。”方忠說。

　　方忠一直記得那一天，團隊成員翁紅明發了一封郵件給他，大家都非常興奮。

　　“非常好！”方忠立刻用手機回復。

　　這一計算發現被整理成論文，于2014年年底在arXiv網站公開發布。在TaAs固體中觀測到了外爾費米子的行為，被認為是“結束了對外爾費米子近86年的搜尋”。

　　當前，拓撲新物態、新材料和新現象研究呈現井噴式爆發，多種拓撲材料體系不斷涌現，已發展成為與傳統的對稱破缺理論描述的物態相比肩的全新領域。拓撲電子態的概念也被迅速推廣到其他領域，產生了拓撲光子晶體、拓撲聲子晶體、拓撲電路、拓撲聲波等。拓撲電子能帶結構可能催生新一代的功能材料。

　　方忠提到，未來團隊的研究重點方向之一是基于拓撲材料數據庫，著重研究具有應用前景的拓撲材料和拓撲量子效應，同時要發展相關的材料和物性計算能力、制備和表征測量的實驗設備等，推動拓撲電子器件的創新和應用。

　　“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。”方忠說。

　　中青報·中青網記者 張渺 來源：中國青年報