【晒晒科技新成果】拓扑电子态研究应用前景广阔

未来，变革性技术会出现在哪个方向？

拓扑电子态及其材料研究，极有可能。

拓扑电子态是什么？中国科学院院士、中国科学院物理研究所所长方忠这样解释：“它是一大类新的量子物态，其研究对当前物理学的发展产生了深远影响，不仅深刻改变人类对物态的认识，也为变革性技术的出现提供新的可能。”

2023年度国家自然科学奖一等奖颁给了由方忠院士领衔的“拓扑电子材料计算预测”。

对普通人来说，拓扑电子态太难弄懂，但要说到新拓扑材料的可能用途，大家或许就能明白，为什么这个领域会成为国际凝聚态物理界竞争的焦点和热点。它能实现低能耗的电荷输运，用于开发低能耗的电子器件；它将为未来磁存储设备和量子计算机提供关键设备……

方忠领导的研究小组，是我国拓扑电子态及其材料研究的中坚力量。2003年起，研究团队从零起步、跟跑、并跑到交替领跑，独立做出若干具有国际影响力的工作——计算预测首个量子反常霍尔效应绝缘体、计算预测首个拓扑狄拉克半金属和首个外尔半金属、提出并实现判别拓扑性质的普适计算方法、建立拓扑材料数据库……在关键时间节点上，他们引领了学科的发展，将我国推到拓扑电子材料研究的世界前列。

中国科学院物理研究所研究员翁红明自2010年回国后，加入方忠团队，并成为核心人员之一。2013年，他和同伴在众多候选物中，经过计算分析，确认化合物砷化钽（TaAs）就是一直在寻找的非磁性外尔半金属。这一结果在国内外引起强烈关注，掀起实验验证外尔费米子的激烈竞争。最终，TaAs成为世界上首个经实验确认的外尔半金属。

那些伏案计算的日日夜夜、那些走了弯路的焦虑和失望、那些突破瓶颈的欣喜和鼓舞……如今再谈起，都已云淡风轻。翁红明更愿意谈的是科学本身：“我们的研究不仅在拓扑材料上取得突破，更为凝聚态物理发展提供了一种新的研究范式——通过计算研究来推动实验进展。”在他看来，物理固然是一门实验科学，但发展到现在，理论研究应该发挥更大的指导作用，计算研究能从浩如烟海的化合物中迅速筛选出最具潜力的材料，从而加速新物态和新材料的发现。“我们已经形成‘理论计算—样品制备—实验测量—器件开发’的全链条正反馈研究模式。应该说，这一研究范式引领并推动了拓扑电子态研究领域跨越式大发展。”

理论研究仍要加强，但下一步更要关注如何调控拓扑物态、利用拓扑物性为功能器件的应用奠定基础。方忠说：“前景广阔！我相信，拓扑电子态研究的大门刚刚打开，拓扑时代的黎明即将到来！”

（本报记者 齐芳）