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拓扑电子态研究应用前景广阔

时间:2024-08-12 14:57:25 来源:

  未来,变革性技术会出现在哪个方向?

  拓扑电子态及其材料研究,极有可能。

  拓扑电子态是什么?中国科学院院士、中国科学院物理研究所所长方忠这样解释:“它是一大类新的量子物态,其研究对当前物理学的发展产生了深远影响,不仅深刻改变人类对物态的认识,也为变革性技术的出现提供新的可能。”

  2023年度国家自然科学奖一等奖颁给了由方忠院士领衔的“拓扑电子材料计算预测”。

  对普通人来说,拓扑电子态太难弄懂,但要说到新拓扑材料的可能用途,大家或许就能明白,为什么这个领域会成为国际凝聚态物理界竞争的焦点和热点。它能实现低能耗的电荷输运,用于开发低能耗的电子器件;它将为未来磁存储设备和量子计算机提供关键设备……

  方忠领导的研究小组,是我国拓扑电子态及其材料研究的中坚力量。2003年起,研究团队从零起步、跟跑、并跑到交替领跑,独立做出若干具有国际影响力的工作——计算预测首个量子反常霍尔效应绝缘体、计算预测首个拓扑狄拉克半金属和首个外尔半金属、提出并实现判别拓扑性质的普适计算方法、建立拓扑材料数据库……在关键时间节点上,他们引领了学科的发展,将我国推到拓扑电子材料研究的世界前列。

  中国科学院物理研究所研究员翁红明自2010年回国后,加入方忠团队,并成为核心人员之一。2013年,他和同伴在众多候选物中,经过计算分析,确认化合物砷化钽(TaAs)就是一直在寻找的非磁性外尔半金属。这一结果在国内外引起强烈关注,掀起实验验证外尔费米子的激烈竞争。最终,TaAs成为世界上首个经实验确认的外尔半金属。

  那些伏案计算的日日夜夜、那些走了弯路的焦虑和失望、那些突破瓶颈的欣喜和鼓舞……如今再谈起,都已云淡风轻。翁红明更愿意谈的是科学本身:“我们的研究不仅在拓扑材料上取得突破,更为凝聚态物理发展提供了一种新的研究范式——通过计算研究来推动实验进展。”在他看来,物理固然是一门实验科学,但发展到现在,理论研究应该发挥更大的指导作用,计算研究能从浩如烟海的化合物中迅速筛选出最具潜力的材料,从而加速新物态和新材料的发现。“我们已经形成‘理论计算—样品制备—实验测量—器件开发’的全链条正反馈研究模式。应该说,这一研究范式引领并推动了拓扑电子态研究领域跨越式大发展。”

  理论研究仍要加强,但下一步更要关注如何调控拓扑物态、利用拓扑物性为功能器件的应用奠定基础。方忠说:“前景广阔!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!”

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