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

2023年度国家科学技术奖24日在北京揭晓并颁奖。中国科学院物理研究所研究员方忠及其团队在“拓扑电子材料计算预测”方面取得重要科学发现，获得2023年度国家自然科学奖的一等奖。这一发现使我国拓扑物态研究领域站在国际最前沿。

记者在中国科学院物理研究所看到，方忠院士和科研团队正在研究最新找到的拓扑电子材料。经过多轮研究攻关，科研团队共计算了3万多种非磁性材料，筛选出8000多种是拓扑绝缘体或拓扑金属，极大地推动了拓扑材料的发现和研究。

中国科学院院士中国科学院物理研究所所长方忠：我们成果的名称叫做拓扑电子材料计算预测，它其实有两个方面的重要的意义。第一就是扩展了我们人类对于物质世界的一个认知的边界，原来有很多东西我们没认识到，这个是一个概念性的突破。另外一个方面就是通过具体的材料的发现，也为我们未来的可能的一些变革性的技术的出现提供了一些物质的载体。

拓扑，是数学中非常重要的概念，用于研究几何物体在连续形变下不变的性质，随后被科学家引用到物理学中，描述材料中电子分布的状态，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。

中国科学院院士中国科学院物理研究所所长方忠：我们简单讲把这个球或碟子叫做拓扑0，有1个孔洞的（咖啡杯）叫做拓扑的1。我可以用整数来定义它，我一共有2个孔洞，拓扑的2，这个都可以来定义拓扑物态。什么概念？就是我们要通过电子的状态来实现我刚才谈到的拓扑性质。

拓扑电⼦态研究是近年来凝聚态物理最为重要的前沿领域之⼀，相关研究已三次获得诺贝尔物理学奖。与前⾯三次诺贝尔奖的发现不同，2000年后该领域的研究着重于没有外磁场的拓扑电子材料。

中国科学院院士中国科学院物理研究所所长方忠：电阻的起源，一个最简单的例子就是杂质，电子在运动过程中碰到一个杂质，它就被弹回来了，哪怕绕过杂质它也得往前走，因为只有朝前走是它唯一的可能状态，其实是对电子进行了约束，永远可以保持一个非常好的没有电阻的状态。

在这条全新的赛道上，我国科学家发展了创新的计算⽅法，并通过计算预测成功发现了量⼦反常霍尔效应绝缘体、拓扑外尔半⾦属等最重要且最基本的拓扑电⼦材料新体系，丰富新奇的拓扑物性也为新型功能器件的应用奠定了重要的科学和材料基础。

中国科学院院士中国科学院物理研究所所长方忠：我们现在都知道半导体芯片里头发热等等，就是因为有电阻，电子在传输过程中就会导致发热，利用这些新的这种拓扑材料就有可能实现没有电阻的这样的一种电子的输运的状态，这个就会降低我们的能耗。当然还有很多的在未来的量子计算方面，有可能实现基于拓扑的叫拓扑量子计算机，当然这都还是比较遥远，但是它给我们思想就全部有一个新的可能的方向。而这些如果一旦实现，它可能是一个技术的重大的变革。

此外，科研团队还提出并实现了一种全新的拓扑不变量计算⽅法，并已发展成为研究拓扑性质的标准计算⽅法，也提供了⼀种新的研究范式，加速了新物态和新材料的发现。

总台央视记者帅俊全：将数学中的拓扑原理应用到物理当中，发现新的材料，获得这一重大成果之后，现在科研团队又在光学器件的设计当中使用了数学的拓扑原理。可以看到我身边的这三个激光器，最远端的一个光腔结构就使用了数学的拓扑原理，可以看到同样的材料，而使用了数学拓扑原理的激光器，它的聚光效果要超出以往的数10倍。

中国科学院院士中国科学院物理研究所所长方忠：我们感到非常兴奋，拓扑物理学的大门才刚刚打开，应该说我们后期还有重要的工作，首先基于所有这些拓扑的物态，我们应该要去构建一个全新的理论框架，另外我们现在发现了拓扑物态还是比较少的，可能还有更多更有趣的拓扑物质的状态需要我们去发现，第三个方面我们觉得我们现在离应用还是很遥远的，但是我们必须要朝着可能应用努力，真正要落地，我觉得这些东西都是未来我们需要努力的。