6月24日

全国科技大会

国家科学技术奖励大会

两院院士大会

在北京人民大会堂隆重举行

本届国家科学技术奖

共评选出250个项目

和12名科技专家

其中

中国科学院物理研究所所长

中国科学院院士

方忠及其团队的研究成果

“拓扑电子材料计算预测”

荣获2023年度自然科学奖一等奖

这也是中国自然科学领域的最高奖项

△团队合影，从左至右分别是：戴希、王志俊、方忠、翁红明、余睿（图源：新华社）

作为一名凝聚态物理学家

方忠带领团队长期致力于

凝聚态物质中新奇量子现象的

计算与理论研究

通过发展特色的电子结构计算方法

在自旋-轨道物理研究

特别是拓扑电子态理论与计算方面

做出了系统性和创新性的贡献

他曾计算预言了若干重要的

量子效应和材料体系

并被实验证实

推动了学科发展

及相关领域研究的国际进展

拓扑应该如何理解？

想要了解方忠团队所做的成果

首先要了解几个概念

什么是凝聚态？

方忠表示

“凝聚态物理主要是

研究物质的各种状态”

以前

大家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

但近二十多年来

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

拓扑究竟应该如何理解？

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

可以把这个面团叫做拓扑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

会使得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”

“拓扑时代的黎明即将到来”

方忠团队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

导致了“内禀反常霍尔效应”

20多年来

方忠团队一直在该领域潜心耕耘

取得了累累硕果　

2010年

方忠等人提出了

实现量子反常霍尔效应的材料体系

和具体方案　

2013—2014年

国际上多个实验团队

在他们提出的材料体系中

精准地观测到了量子反常霍尔效应

证实了理论预言　

2015年

团队计算发现了外尔半金属

并被实验迅速证实

其后

他们还提出了节点线半金属

三重简并半金属等

进一步拓展了拓扑半金属材料家族　

2019年

团队完成了拓扑电子材料数据库的建设

从3万多个已知的材料中

筛选出近8000个拓扑非平庸的材料

加快了拓扑电子材料的发现和研究

△方忠（右）和团队成员交流研究进展（图源：新华社）

据了解

拓扑电子态及其材料研究

是近年来凝聚态物理领域

快速发展起来的一个重要前沿方向

极大地扩展了人们对物态本质的认知

也为新型功能器件应用

奠定了科学和材料基础

方忠表示

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

包括磁性拓扑态、手性费米子

拓扑热电等

同时

研发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”

方忠说道

    参考资料：

    1.《人民日报》.听8位科研人员讲述创新故事

    2.《中国青年报》.“拓扑时代的黎明即将到来”——记国家自然科学奖一等奖获奖团队

    3.新华网.“拓扑物态研究的大门才刚刚打开！”

    4.央视新闻客户端.拓扑物态研究领域重大突破 这个团队获国家自然科学奖一等奖

    5.“中国科学院大学校友会”公众号.第十七期李政道讲座，选课正式开启！ 

    制作：北京市科协融媒体中心

    整理：赵玲