未来科学大奖丨拓扑材料探索之旅是理论与实验的妙不可言

游戏天地 2025年08月22日 17:20 1 admin

近日，2025未来科学大奖获奖人揭晓，中国科学院物理研究所方忠、香港科技大学戴希、上海交通大学李政道研究所丁洪因为在拓扑电子材料的计算预测以及实验实现方面作出杰出贡献而获得2025未来科学大奖物质科学奖。这项科研成果是三位科学家在中国科学院物理研究所工作期间合作产生的，为拓扑电子材料领域的研究开辟了新的方向。

方忠：精诚合作、无缝衔接

是成功的关键

拓扑电子材料的发现被认为是凝聚态物理领域近年来最具突破性的进展之一。所谓凝聚态物理，主要就是研究物质的各种状态。以前，人们认为所有物质的状态都可以用对称性来描述，例如常见的固体、液体和气体，就是大量原子或分子在不同条件下形成的不同物态。但近些年来，人们认识到，物质世界还有一大类物态不能用对称性而要用拓扑的概念来描述，这就是拓扑物态。

那么，拓扑应该如何理解？其实这是一个数学概念，用于研究几何物体在连续形变下保持不变的性质。通俗来说，在拓扑概念中，通过孔洞的数目来标识，孔洞就相当于区分不同材料的拓扑数。假设有一团面团，在揉面团的过程中，它的外表经历了连续形变，但它始终没有孔洞，那么在拓扑概念中，可以把这个面团叫作拓扑0。但如果要做成面包圈，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，可以被称为拓扑1。在拓扑学上，它的结构就和一开始的面团不一样了，因为它们孔洞的数量不一样。

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”。闭合曲面的撕裂和黏合会使拓扑不变量发生变化，这就是“拓扑相变”。而那些电子分布状态具有非零拓扑不变量的固体材料就被称为“拓扑电子材料”。

这类材料在其体态电子能带结构中展现出非平凡的拓扑性质，从而产生具有极强稳定性的表面导电态。拓扑电子材料将拓扑学的抽象数学之美与电子材料的实用功能性结合在一起，为自旋电子学、量子计算与能源技术等多个领域的应用开辟了广阔前景。尽管凝聚态理论预测了多种类型的拓扑能带结构的存在（通常借助理想化的“玩具”模型），但在真实材料中发现这些结构仍极具挑战性，犹如大海捞针。

方忠与戴希发展出一整套计算方法，使他们率先预测出一系列拓扑材料，包括拓扑绝缘体、量子反常霍尔材料，以及Weyl半金属等。与此同时，丁洪在将理论转化为实验现实方面发挥了关键作用。他通过对角分辨光电子能谱技术（ARPES）的创新性使用，首次在方忠和戴希预测的半金属材料中实验验证了Weyl费米子的存在。他们开创的方法现已被全球科学家广泛采用。

方忠在新闻发布会现场连线中首先感谢参与获奖成果研究的多团队科学家们，表示今天获奖的三位其实是代表了团队中的众人。这项科研成果从理论计算和材料预测出发推动实验验证，加快了拓扑体系和材料研究进程。在合作中，理论计算预言材料体系与实验团队无缝衔接、全链条互动是成功的关键。他诚挚感谢中国科学院物理研究所提供的良好科研平台和实验条件，促进了合作范例和重要成果的产生。

戴希：在科研中要保持“平常心”

对于此次获奖，戴希表示非常开心，但这份成绩不是“天上掉下来的”，而是凝聚态物理研究一步步自然发展的结果。“就像牛顿说的‘站在巨人的肩膀上’，我们的研究也是基于前人积累的理论基础。”

2000年前后，凝聚态物理的一个热点是“自旋电子学”，当时科学家们在研究：电子的自旋和轨道运动相互作用，如何产生“自旋流”。沿着这个问题，科学家们开始思考：如果材料是绝缘体，它是否还能携带“自旋流”？如果可以，那么其能带结构可能具备某种拓扑特性。

后来，有人把复杂的能带结构用“高对称性”模型简化了。通过对高对称性模型的分析，方忠、戴希团队知道了“高对称材料如果具备拓扑特性，会有什么表现”。于是他们就先从高对称性的材料入手搜索，真的找到了几种性能很好的拓扑绝缘体，现在它们仍是拓扑材料里的“明星”。

找到高对称拓扑材料后，团队开始逐步降低材料的对称性，每降低一次对称性，需要考虑的参数就更多，研究也更复杂。但通过一步步积累经验，他们对不同对称性下拓扑特性的规律越来越熟悉，最终就能用“高通量计算”来筛选材料了。“现在我们能找到几千种拓扑材料，靠的就是这套从简单到复杂、从理论到计算的‘阶梯式’方法。”戴希说道。

在这个过程中，最大的技术难点在于“如何从复杂的计算结果中提取关键信息”。具体来说，预测拓扑材料时，需要先通过计算机计算材料的“能带结构”，而计算结果会生成一个叫作“波函数”的数学结构——它能完整描述电子在材料中的运动状态，但包含的信息量极其庞大，就像一堆杂乱无章的拼图碎片。“我们的目标是从这堆‘碎片’里找到最关键的那几片，也就是能直接反映材料‘拓扑特性’的特征。这一步非常困难，因为波函数的信息太复杂，很难直接看出哪些部分重要、哪些不重要。”

为了解决这个问题，方忠、戴希团队发展了一套名为Wilson loop的方法，能从波函数的复杂信息中精准提取出与拓扑特性直接相关的关键特征。通过分析这些特征，就能对材料的拓扑电子态进行完整的分类，从而判断它是不是拓扑材料。

拓扑材料的应用前景非常广泛，它是量子材料中的一类“特殊成员”，其核心特点是：材料中的许多关键物理特性由电子结构的“拓扑性质”决定。戴希与方忠团队计算提出了实现量子反常霍尔效应的材料体系和方案，并被实验证实，好比是给电子装上了“自动驾驶仪”，对于实现高效、稳定的电子传输具有重要意义。

对于物理学的美，戴希欣赏不已。他认为，最美的物理学理论是相对论，其从相对性原理出发，经逻辑推导得出光速不变等效应，虽与生活常识相悖但被实验验证。过去相对论效应在凝聚态物理中被认为是次级效应，但拓扑物态的发现改变了这一看法，因为多数拓扑物态是由相对论效应导致的。对于能在自己欣赏的领域内作出贡献并获认可，戴希感觉荣幸之至。

最后，戴希对后辈分享了自己的研究心得：首先是在科研中保持“平常心”，如果遇到和其他人研究方向一致，且被别人领先一步时，一定不要灰心丧气；其次要永远保持对未知世界的好奇心，这是科研最根本的动力。“不管遇到多少挫折，只要好奇心在，你就会一直想探索、想解决问题。科研就像‘挖宝石’，可能你挖很久都没发现，但只要坚持下去，总有一天会挖到属于自己的那颗珍贵的‘宝石’——这种惊喜，往往就藏在持续的探索里。”

丁洪：基础研究一直在改变世界

获奖人丁洪在连线环节表示，希望自己和团队的研究工作能够对量子计算机领域有所帮助，实现物理研究与计算机兴趣的融合。

为了实现这一目标，他和团队在过去几十年里连续取得突破：1996年在铜基高温超导体发现赝能隙，2008年在铁基超导体中观察到s-波超导序参量，2015年在固体材料中发现外尔费米子，2018年在铁基超导体中发现马约拉纳零能模。

对于丁洪来说，拓扑电子材料的研究是理论、实验和样品制备三者完美结合的典型案例。“随着理论研究的逐步深入，我们意识到需要专门制备样品来验证理论预测，于是联系了其他研究组的同事加入进来。当时我们不仅准备了实验所需的关键条件，还通过测量大量材料的性质，把数据拿给理论团队计算对比；反过来，理论团队又会根据计算结果调整模型，再指导我们下一步实验。”

这种研究模式不是“理论单向指导实验”或“实验单向验证理论”，而是多方向、多次循环的迭代：理论提出预测→实验测量验证→根据实验结果修正理论→再用新理论指导实验……就像“互相补漏”，不断优化。理论创新、实验手段和样品制备三者要恰到火候，在短期内相互迭代，互相匹配，这一点是很难得的。

而这种理论与实验深度协同的成功案例，恰恰印证了丁洪常说的——基础研究看似“抽象无用”，却始终是技术创新的源头活水。即便团队不断产出新成果，他仍常被问及：“凝聚态物理有什么用？”“事实上，基础研究一直在改变世界。未来也会如此。”丁洪表示。

刚发现电子的时候，连汤姆逊都觉得没啥应用价值，但现在用的所有半导体都是电子器件；如果没有广义相对论，GPS误差会达到几公里，根本无法导航；凝聚态物理所催生的晶体管，则是当今信息时代的基石。可见，基础研究成果刚出现的时候，似乎没什么用，“但随着人类对机理认识的加深，会慢慢找到应用的路径，应当把眼光放长远一点”。

来源：北京市科协融媒体中心