近日，2023年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)揭曉，共評(píng)選出250個(gè)項(xiàng)目。其中，中國(guó)科學(xué)院物理研究所方忠團(tuán)隊(duì)的研究成果“拓?fù)潆娮硬牧嫌?jì)算預(yù)測(cè)”獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，這也是中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。長(zhǎng)期以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)致力于凝聚態(tài)物質(zhì)中新奇量子現(xiàn)象的計(jì)算與理論研究。

方忠用“揉面團(tuán)”舉例，對(duì)記者解釋自己研究的究竟是什么：在揉面團(tuán)時(shí)，面團(tuán)的外表面就在經(jīng)歷連續(xù)形變，在這個(gè)形變過(guò)程中，外表面包裹的孔洞數(shù)目是0，“沒(méi)有改變”。但若是要做面包圈，就要撕破面團(tuán)并重新粘連做成一個(gè)圈，這時(shí)面包圈表面包裹的孔洞數(shù)是1；揉、壓這個(gè)面包圈，孔洞數(shù)還是保持1，“不會(huì)變化”。

“在連續(xù)形變下保持不變的孔洞數(shù)目，就是一個(gè)拓?fù)鋵傩?，可以用?lái)描述和區(qū)分這兩種不同的曲面，被稱為拓?fù)洳蛔兞?。”方忠說(shuō)。閉合曲面的撕裂和黏合，會(huì)使得拓?fù)洳蛔兞堪l(fā)生變化，這就是拓?fù)湎嘧儭?/span>

方忠表示，要了解一個(gè)幾何圖形的拓?fù)涮匦?，僅僅抽出一小塊區(qū)域來(lái)研究是不行的，需要進(jìn)行整體的全局研究。這和人們通常認(rèn)識(shí)的物質(zhì)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(tài)的。但從面包圈和面團(tuán)上各挖出一小塊來(lái)，盡管這兩個(gè)局部小塊看起來(lái)是一模一樣的，但它們?cè)灸阁w的拓?fù)湫再|(zhì)完全不一樣。

“數(shù)學(xué)是描述大自然的最好的語(yǔ)言。拓?fù)?，這么一個(gè)有趣的語(yǔ)言，描述的就是我們研究的拓?fù)潆娮硬牧?。”方忠說(shuō)。科學(xué)家把那些電子分布狀態(tài)具有非零拓?fù)洳蛔兞康墓腆w材料，稱之為拓?fù)潆娮硬牧稀?/span>

方忠回憶自己對(duì)拓?fù)潆娮硬牧系难芯浚梢宰匪莸?003年。當(dāng)時(shí)，他剛到中國(guó)科學(xué)院物理研究所工作，發(fā)現(xiàn)了鐵磁體中電子態(tài)形成的磁單極，貢獻(xiàn)了“內(nèi)稟反?；魻栃?yīng)”。2005年，拓?fù)浣^緣體研究在國(guó)際上開(kāi)始興起。方忠和理論物理學(xué)家戴希一同關(guān)注到這個(gè)領(lǐng)域，并開(kāi)始合作研究拓?fù)潆娮硬牧稀?009年，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算，預(yù)測(cè)Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等是三維拓?fù)浣^緣體，隨后與實(shí)驗(yàn)合作進(jìn)行了驗(yàn)證。2010年，該團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)Cr或Fe等磁性摻雜Bi2Se3族拓?fù)浣^緣體薄膜實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的具體方案。

“2010年，翁紅明從日本回國(guó)，加入我的團(tuán)隊(duì)；王志俊當(dāng)時(shí)是我們的研究生。2013年，國(guó)內(nèi)外許多實(shí)驗(yàn)小組按照我們提出的方案，在這些材料體系中實(shí)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)。我們的學(xué)生余睿也參與了這個(gè)工作。于是我們5個(gè)人的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了拓?fù)潆娮硬牧系暮献餮芯??！狈街艺f(shuō)。

在這條研究之路上，方忠團(tuán)隊(duì)不斷遇到新的挑戰(zhàn)。2011年，團(tuán)隊(duì)提出了鐵磁性Hg2CrSe4可能是沒(méi)有時(shí)間反演對(duì)稱的外爾半金屬?？上У氖?，這樣的磁性體系具有復(fù)雜的磁構(gòu)型和磁疇，實(shí)驗(yàn)表征非常困難，至今也沒(méi)能得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

在方忠看來(lái)，研究想要出成果，需要長(zhǎng)期積累、反復(fù)和堅(jiān)持。在這個(gè)基礎(chǔ)上，得出發(fā)現(xiàn)“還需要一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣和靈感”。

他從自己開(kāi)始研究鐵磁金屬中的磁單極和內(nèi)稟反?；魻栃?yīng)計(jì)算，20多年來(lái)，最初他甚至不知道什么樣的材料能夠滿足研究目標(biāo)的苛刻條件。2010年，團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)了磁性拓?fù)浣^緣體，才實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。

正是這些年復(fù)一年的摸索和積累，團(tuán)隊(duì)一步步對(duì)調(diào)控電子能帶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有了豐富的經(jīng)驗(yàn)和深刻的認(rèn)知。他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域作出的重要發(fā)現(xiàn)之一，是成功計(jì)算預(yù)測(cè)TaAs家族材料是拓?fù)渫鉅柊虢饘佟?/span>

2013年，方忠團(tuán)隊(duì)在研究拓?fù)浣^緣體ZrTe5的時(shí)候，提出了對(duì)其進(jìn)行電子和空穴雙摻雜的設(shè)想，分別可以用Ta和As這兩個(gè)元素的原子。但隨后，團(tuán)隊(duì)跟實(shí)驗(yàn)合作者討論，意識(shí)到Ta和As可能會(huì)形成穩(wěn)定的相，隨后檢索到TaAs這個(gè)化合物，并注意到它有一些獨(dú)特的性。

“于是我們就開(kāi)始仔細(xì)計(jì)算TaAs的電子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)分析初步確認(rèn)，TaAs就是我們一直在尋找的非磁性的外爾半金屬?！狈街艺f(shuō)。

方忠一直記得那一天，團(tuán)隊(duì)成員翁紅明發(fā)了一封郵件給他，大家都非常興奮。

“非常好！”方忠立刻用手機(jī)回復(fù)。

這一計(jì)算發(fā)現(xiàn)被整理成論文，于2014年年底在arXiv網(wǎng)站公開(kāi)發(fā)布。在TaAs固體中觀測(cè)到了外爾費(fèi)米子的行為，被認(rèn)為是“結(jié)束了對(duì)外爾費(fèi)米子近86年的搜尋”。

當(dāng)前，拓?fù)湫挛飸B(tài)、新材料和新現(xiàn)象研究呈現(xiàn)井噴式爆發(fā)，多種拓?fù)洳牧象w系不斷涌現(xiàn)，已發(fā)展成為與傳統(tǒng)的對(duì)稱破缺理論描述的物態(tài)相比肩的全新領(lǐng)域。拓?fù)潆娮討B(tài)的概念也被迅速推廣到其他領(lǐng)域，產(chǎn)生了拓?fù)涔庾泳w、拓?fù)渎曌泳w、拓?fù)潆娐?、拓?fù)渎暡ǖ?。拓?fù)潆娮幽軒ЫY(jié)構(gòu)可能催生新一代的功能材料。

方忠提到，未來(lái)團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)方向之一是基于拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)，著重研究具有應(yīng)用前景的拓?fù)洳牧虾屯負(fù)淞孔有?yīng)，同時(shí)要發(fā)展相關(guān)的材料和物性計(jì)算能力、制備和表征測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，推動(dòng)拓?fù)潆娮悠骷膭?chuàng)新和應(yīng)用。

“我相信拓?fù)潆娮討B(tài)研究的大門剛剛打開(kāi)，拓?fù)鋾r(shí)代的黎明即將到來(lái)?！狈街艺f(shuō)。

 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)