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近日，2023年度国家科学技术奖励揭晓，共评选出250个项目。其中，中国科学院物理研究所方忠团队的研究成果“拓扑电子材料计算预测”获国家自然科学奖一等奖，这也是中国自然科学领域的最高奖项。长期以来，该团队致力于凝聚态物质中新奇量子现象的计算与理论研究。
方忠用“揉面团”举例，对记者解释自己研究的究竟是什么：在揉面团时，面团的外表面就在经历连续形变，在这个形变过程中，外表面包裹的孔洞数目是0，“没有改变”。但若是要做面包圈，就要撕破面团并重新粘连做成一个圈，这时面包圈表面包裹的孔洞数是1；揉、压这个面包圈，孔洞数还是保持1，“不会变化”。
“在连续形变下保持不变的孔洞数目，就是一个拓扑属性，可以用来描述和区分这两种不同的曲面，被称为拓扑不变量。”方忠说。闭合曲面的撕裂和黏合，会使得拓扑不变量发生变化，这就是拓扑相变。
方忠表示，要了解一个几何图形的拓扑特性，仅仅抽出一小块区域来研究是不行的，需要进行整体的全局研究。这和人们通常认识的物质不一样。比如，从一大块冰上敲出一小块，只研究这一小块也仍然是冰，且是固态的。但从面包圈和面团上各挖出一小块来，尽管这两个局部小块看起来是一模一样的，但它们原本母体的拓扑性质完全不一样。
“数学是描述大自然的最好的语言。拓扑，这么一个有趣的语言，描述的就是我们研究的拓扑电子材料。”方忠说。科学家把那些电子分布状态具有非零拓扑不变量的固体材料，称之为拓扑电子材料。
方忠回忆自己对拓扑电子材料的研究，可以追溯到2003年。当时，他刚到中国科学院物理研究所工作，发现了铁磁体中电子态形成的磁单极，贡献了“内禀反常霍尔效应”。2005年，拓扑绝缘体研究在国际上开始兴起。方忠和理论物理学家戴希一同关注到这个领域，并开始合作研究拓扑电子材料。2009年，该团队通过计算，预测Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等是三维拓扑绝缘体，随后与实验合作进行了验证。2010年，该团队提出了通过Cr或Fe等磁性掺杂Bi2Se3族拓扑绝缘体薄膜实现量子反常霍尔效应的具体方案。
“2010年，翁红明从日本回国，加入我的团队；王志俊当时是我们的研究生。2013年，国内外许多实验小组按照我们提出的方案，在这些材料体系中实现了量子反常霍尔效应。我们的学生余睿也参与了这个工作。于是我们5个人的团队开始了拓扑电子材料的合作研究。”方忠说。
在这条研究之路上，方忠团队不断遇到新的挑战。2011年，团队提出了铁磁性Hg2CrSe4可能是没有时间反演对称的外尔半金属。可惜的是，这样的磁性体系具有复杂的磁构型和磁畴，实验表征非常困难，至今也没能得到实验证实。
在方忠看来，研究想要出成果，需要长期积累、反复和坚持。在这个基础上，得出发现“还需要一点点运气和灵感”。
他从自己开始研究铁磁金属中的磁单极和内禀反常霍尔效应计算，20多年来，最初他甚至不知道什么样的材料能够满足研究目标的苛刻条件。2010年，团队成功设计了磁性拓扑绝缘体，才实现量子反常霍尔效应。
正是这些年复一年的摸索和积累，团队一步步对调控电子能带的拓扑结构有了丰富的经验和深刻的认知。他们在这个领域作出的重要发现之一，是成功计算预测TaAs家族材料是拓扑外尔半金属。
2013年，方忠团队在研究拓扑绝缘体ZrTe5的时候，提出了对其进行电子和空穴双掺杂的设想，分别可以用Ta和As这两个元素的原子。但随后，团队跟实验合作者讨论，意识到Ta和As可能会形成稳定的相，随后检索到TaAs这个化合物，并注意到它有一些独特的性。
“于是我们就开始仔细计算TaAs的电子结构，经过分析初步确认，TaAs就是我们一直在寻找的非磁性的外尔半金属。”方忠说。
方忠一直记得那一天，团队成员翁红明发了一封邮件给他，大家都非常兴奋。
“非常好！”方忠立刻用手机回复。
这一计算发现被整理成论文，于2014年年底在arXiv网站公开发布。在TaAs固体中观测到了外尔费米子的行为，被认为是“结束了对外尔费米子近86年的搜寻”。
当前，拓扑新物态、新材料和新现象研究呈现井喷式爆发，多种拓扑材料体系不断涌现，已发展成为与传统的对称破缺理论描述的物态相比肩的全新领域。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、拓扑电路、拓扑声波等。拓扑电子能带结构可能催生新一代的功能材料。
方忠提到，未来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，同时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。
“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。”方忠说。
中青报·中青网记者 张渺
