2019年9月18日
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N a t u r e 发表南京大学教授拓扑研究新成果:
找寻拓扑材料有了新方法

2 月2 8

日,N a t u r e 主刊上线了来自南京大学物理学院万贤纲教授团队和哈佛大学合作者的最新理论研究进展。此前该团队研究出一种可从上万种材料中通过算法进行自动搜寻拓扑绝缘材料的高效理论方法,运用此种方法成功预测了上千种可能的新型拓扑绝缘材料。

在接受记者采访时,万贤纲表示,拓扑原本是标准数学里的概念,拓扑概念进入物理学领域源于1 9 8 0 年科研人员对量子霍尔效应的发现以及对这一新奇物理现象的理解。此后物理体系中的拓扑性质受到极大关注。随着研究的深入,人们发现拓扑物理并不局限于二维,甚至也不局限于绝缘体体系。大量拓扑量子态被发现:三维强拓扑绝缘体、弱拓扑绝缘体、镜面陈绝缘体等。这些拓扑材料具有常规材料所没有的奇特物性,譬如拓扑保护边界态、手征反常、费米弧等。这些拓扑物性在电子、信息和半导体技术方面有着巨大的应用潜力,其特有的新奇物理现象有可能给未来的信息革命带来重大影响。

因此,十多年来拓扑材料研究一直是基础研究以及应用研究的前沿课题。所以当前找寻合适的拓扑材料就变得非常关键。但,目前已知的拓扑材料数目只有几百个,这和人们合成出来的几十万个材料相比还很少,是否有适合应用的拓扑材料?拓扑材料是否真的很少?

“此前,该领域研究者主要通过直接计算拓扑不变量去找寻各种拓扑相,这种方法效率较低,所以目前人们知道的拓扑材料数目还很有限。因此我们研究出新的理论方法,从而系统地找到理想的有实用价值的拓扑材料。”谈及研究,万贤纲也指出,“我们只是提出了找寻拓扑材料的新方案和方法,未来还需要不断证实这些材料的可用性以及应用价值,一切都还是未知数。或许,最后会发现众多材料中只有一种材料可应用于实际生活中,这也是一种进步。”

万贤纲告诉记者,拓扑基础理论研究的科研价值,体现在对自然未知的探索上。“我们现在已经对金属、半导体等材料习以为常了,实际上自然界还存在大量未知的材料,这些‘富矿’等着科研工作者去不断挖掘。”

值得一提的是,在N a t u r e 同期发表的还有中科院物理所研究团队和普林斯顿大学研究团队的两个相关工作,展示出在拓扑新材料理论设计方面中国科研团队的优势地位。