多位業內專家:中國凝聚態物理領域的春天已經到來—新聞—科學網

深耕「固體宇宙」 拓撲物態「領跑」國際

多位業內專家：中國凝聚態物理領域的春天已經到來

 

2018年年末，對中科院物理所研究員丁洪而言，好消息不止一個。在剛剛公布的中科院改革開放40年40項標誌性重大科技成果中，他所從事的拓撲物態研究位列「面向世界科技前沿」15項之一。

與此同時，實驗室裡，他帶領的團隊在一種特殊的拓撲材料中發現了一種非常規的手性費米子，通過摻雜可能實現三維拓撲超導。

「近年來，我國拓撲物態研究發展迅速，中國科學家的一系列發現解決了深層次的物理問題，讓我們不斷向製造低能耗器件邁進。」站在改革開放40周年的新時代歷史方位中，丁洪為中國科學家這些年來取得的成就感到驕傲。

從絕緣體到半金屬

香港科技大學講座教授、原中科院物理所研究員戴希告訴《中國科學報》記者，在中科院工作12年來，拓撲物態一直是他的中心課題。

拓撲物態是由量子效應導致的與拓撲性質相聯繫的新物態。對凝聚態物理學家而言，拓撲物態是近十年來這一領域內快速發展的前沿熱點之一。製造低能耗的電子器件，是研究拓撲物態最為現實的應用。

2009年，Bi₂Te₃、Bi₂ Se₃、SB₂Te₃族等拓撲絕緣體首先受到關注。中科院物理所研究人員理論預言在這些拓撲物態中能夠實現「量子反常霍爾效應」，即在這些材料中不用外加磁場就可以讓電子運動沒有能耗。2011年中國科學院傑出科技成就獎頒發給這項成果的研究群體。幾年後，這一理論方案得到實驗證實。

隨後，科學家們不斷擴大視野，將凝聚態中電子態的拓撲分類從絕緣體推廣到了半金屬。2012年-2014年，中科院物理所研究員方忠、戴希團隊與多個實驗組合作，理論預言並實驗發現了兩個狄拉克半金屬鉍化鈉（Na₃Bi）和砷化鎘（Cd₃As₂）。

尋找固體宇宙中新粒子

在尋找新拓撲物態的徵途中，新粒子的發現讓科學家們收穫了諸多物理問題的解答。

丁洪用「固體宇宙」來形容他所研究的對象。「億萬個電子和原子核通過相互作用形成一種決定母體材料性質的準粒子，這些準粒子與基本粒子可能遵循相同的物理規律。」丁洪向《中國科學報》記者表示，拓撲半金屬的發現為尋找這些組成固體宇宙的拓撲準粒子提供了可能。

例如，「狄拉克費米子」「外爾費米子」和「馬約拉納費米子」不僅可以以基本粒子的形式存在於宇宙中，也可以以準粒子的形式存在於固體材料的「宇宙」中，從而形成拓撲半金屬，如狄拉克半金屬和外爾半金屬。

圍繞外爾半金屬，2015年，根據中科院物理所翁紅明等研究人員的理論預言，中科院物理所陳根富小組製備出了高質量的大塊砷化鉭（TaAs）晶體，中科院物理所丁洪小組與合作者利用他們不久前在上海光源建成的「夢之線」角分辨光電子能譜實驗站上對TaAs晶體進行測量，首次觀測到外爾費米子的特徵性現象－－表面費米弧。

英國物理學會《物理世界》「2015年十大突破」、美國物理學會《物理》「2015年八大亮點工作」、美國物理學會《物理評論》系列期刊誕生125周年紀念論文集收錄49項成就中唯一來自中國本土的工作……國際科學界對這項研究的讚譽接踵而至。

這一系列研究讓科研人員推測，基本粒子理論中沒有的新型費米子可能存在於「固體宇宙」中。利用類似的實驗手段， 2017年丁洪團隊又發現在一類具有碳化鎢晶體結構的材料中存在三重簡併的電子態，為固體材料中電子拓撲態研究開闢了新的方向。

最近，有關馬約拉納費米子的研究陸續發表。丁洪團隊與合作者首次用單種鐵基超導體FeTe_0.55Se_0.45（鐵碲0.55硒0.45）證實了穩定存在的拓撲超導表面態。緊接著，丁洪團隊與中科院物理所高鴻鈞團隊合作，採用掃描隧道譜手段在該超導體中首次觀測到馬約拉納任意子。

「馬約拉納任意子可以看成是馬約拉納費米子的一半，即一個量子比特可以一分為二，這就能有效地抵抗局域環境對量子比特的破壞，這對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有重要意義。」丁洪介紹。

改革開放許下的科學春天

回首改革開放四十年來的發展，丁洪感慨，多年前，他們需要到國外的實驗室去開展測量，距離前沿科研要求相差甚遠。「今天，由中國科學家自主研發的大科學裝置上海光源的『夢之線』在發現外爾費米子與三重簡併費米子的實驗中立下了汗馬功勞。」在他看來，這得益於國家經濟水平的提高，是科研「硬」環境上的進步。

戴希也表示：「90年代中後期，我們在理論方面接觸到的最新的成果文獻，往往比國外慢了差不多半年的時間。隨著如今資訊的發達，接觸到最新的進展與成果都是跟國際前沿同步的。」

同時，在「軟」環境上，改革開放以來，國家出臺了多項鼓勵原始創新的政策，也讓科學家們感到動力十足。

此外，在戴希看來，我國在人才培養方面有著明顯的進步。近些年，中科院各大研究所與國內頂尖高校加強學術合作，培養了高校內眾多優秀的研究組，本土畢業的博士生的學術水平也能達到非常高的水準。

「在國際交流方面，改革開放後大批中國科學家赴海外求學，國家也出臺了相應政策支持他們學成歸國。」丁洪表示。「這一領域最好的老師已經回國了。」當年，一名曾拜師丁洪的研究生原本計劃出國留學，只因為這句話留在國內完成博士階段學習。

在多位業內專家看來，中國凝聚態物理領域的春天已經到來。