近日，2023年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵揭曉，共評選出250個項目。其中，中國科學(xué)院物理研究所方忠團(tuán)隊的研究成果“拓?fù)潆娮硬牧嫌嬎泐A(yù)測”獲國家自然科學(xué)獎一等獎，這也是中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎項。長期以來，該團(tuán)隊致力于凝聚態(tài)物質(zhì)中新奇量子現(xiàn)象的計算與理論研究。

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

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

　　方忠表示，要了解一個幾何圖形的拓?fù)涮匦?，僅僅抽出一小塊區(qū)域來研究是不行的，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，盡管這兩個局部小塊看起來是一模一樣的，但它們原本母體的拓?fù)湫再|(zhì)完全不一樣。

　　“數(shù)學(xué)是描述大自然的最好的語言。拓?fù)?，這么一個有趣的語言，描述的就是我們研究的拓?fù)潆娮硬牧稀?rdquo;方忠說?？茖W(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?/p>

　　方忠回憶自己對拓?fù)潆娮硬牧系难芯浚梢宰匪莸?003年。當(dāng)時，他剛到中國科學(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^緣體研究在國際上開始興起。方忠和理論物理學(xué)家戴希一同關(guān)注到這個領(lǐng)域，并開始合作研究拓?fù)潆娮硬牧稀?009年，該團(tuán)隊通過計算，預(yù)測Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等是三維拓?fù)浣^緣體，隨后與實驗合作進(jìn)行了驗證。2010年，該團(tuán)隊提出了通過Cr或Fe等磁性摻雜Bi2Se3族拓?fù)浣^緣體薄膜實現(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，加入我的團(tuán)隊；王志俊當(dāng)時是我們的研究生。2013年，國內(nèi)外許多實驗小組按照我們提出的方案，在這些材料體系中實現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)。我們的學(xué)生余睿也參與了這個工作。于是我們5個人的團(tuán)隊開始了拓?fù)潆娮硬牧系暮献餮芯俊?rdquo;方忠說。

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

　　在方忠看來，研究想要出成果，需要長期積累、反復(fù)和堅持。在這個基礎(chǔ)上，得出發(fā)現(xiàn)“還需要一點點運氣和靈感”。

　　他從自己開始研究鐵磁金屬中的磁單極和內(nèi)稟反常霍爾效應(yīng)計算，20多年來，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)隊成功設(shè)計了磁性拓?fù)浣^緣體，才實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。

　　正是這些年復(fù)一年的摸索和積累，團(tuán)隊一步步對調(diào)控電子能帶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有了豐富的經(jīng)驗和深刻的認(rèn)知。他們在這個領(lǐng)域作出的重要發(fā)現(xiàn)之一，是成功計算預(yù)測TaAs家族材料是拓?fù)渫鉅柊虢饘佟?/p>

　　2013年，方忠團(tuán)隊在研究拓?fù)浣^緣體ZrTe5的時候，提出了對其進(jìn)行電子和空穴雙摻雜的設(shè)想，分別可以用Ta和As這兩個元素的原子。但隨后，團(tuán)隊跟實驗合作者討論，意識到Ta和As可能會形成穩(wěn)定的相，隨后檢索到TaAs這個化合物，并注意到它有一些獨特的性。

　　“于是我們就開始仔細(xì)計算TaAs的電子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過分析初步確認(rèn)，TaAs就是我們一直在尋找的非磁性的外爾半金屬。”方忠說。

　　方忠一直記得那一天，團(tuán)隊成員翁紅明發(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)。

　　這一計算發(fā)現(xiàn)被整理成論文，于2014年年底在arXiv網(wǎng)站公開發(fā)布。在TaAs固體中觀測到了外爾費米子的行為，被認(rèn)為是“結(jié)束了對外爾費米子近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，未來團(tuán)隊的研究重點方向之一是基于拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫，著重研究具有應(yīng)用前景的拓?fù)洳牧虾屯負(fù)淞孔有?yīng)，同時要發(fā)展相關(guān)的材料和物性計算能力、制備和表征測量的實驗設(shè)備等，推動拓?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，拓?fù)鋾r代的黎明即將到來。”方忠說。

　　中青報·中青網(wǎng)記者 張渺 來源：中國青年報