【科學講座】翁紅明:拓撲半金屬——新奇費米子的固體宇宙

　　10月29日晚七點，中科院物理所研究員，博士生導師翁紅明研究員在階一五教室為同學們帶來題為「拓撲半金屬——新奇費米子的固體宇宙」的科學講座。

　　首先，翁紅明簡要介紹了凝聚態物理的含義及應用等。凝聚態物理主要研究大量相互作用粒子的狀態和性質，發現新的物質形態，認識物態轉變規律，並開發其物性和效應進行應用是凝聚態物理的主要研究內涵。

　　凝聚態物理的研究重點是物質的物性。翁紅明用碳作為例子，介紹了物質結構與物性之間複雜的關係。碳的足球烯結構為0維；碳納米管為1維結構；石墨烯則為2維結構；三維結構為日常看見的石墨、碳黑、金剛石等。同樣的元素不同的物質結構有著完全不同的性質。接著，翁紅明介紹了電子能帶與物性的關係。能隙大小決定了物質導電與否，電子自旋方向決定了磁性等。翁紅明的研究方向便是通過第一性原理，從晶體結構和組分原子出發，根據普適的量子力學原理，不通過經驗參數直接建立求解電子的量子運動方程並得到電子及其固體的圍觀宏觀性質。

　　通過第一性原理，可以讓材料學的研究從傳統的實驗探索跨越到計算機模擬和設計的層次。這大幅提高了實驗的精度、速度和尺度。清晰的物理圖形、豐富的材料經驗和高效的計算工具三者配合可以為實驗提供物質基礎。加速材料發現。由此也提出了材料基因組的概念，通過大數據來從海量數據中探尋複雜關係。

　　接著，便進入到了拓撲材料學。翁紅明簡要介紹了拓撲學基礎，讓同學們了解到拓撲學基礎概念如拓撲不變量，拓撲相變等。在凝聚態物理中，拓撲物態是一個新興的學科，僅有30餘年歷史。當前焦點為尋找並發現新的拓撲態，探索並研究拓撲態的新奇物性，研究變革行應用技術。拓撲效應會導致整數量子霍爾效應等。由於拓撲不同會使得物體的體態絕緣而邊緣有導電態。拓撲相變也就是在研究體-邊界對應關係。隨著研究的發展，人們發現了拓撲半金屬。拓撲半金屬分為狄拉克半金屬和外爾半金屬，當物質由中心對稱體系時為狄拉克半金屬，沒有中心對稱的外爾半金屬。這兩種金屬的低能準粒子激發分別由狄拉克/外爾方程描述。外爾半金屬的發現也被選為「物理評論」125周年紀念的49大發現之一，也是唯一中國主導的發現。

　　最後，翁紅明回答了同學有關不同自旋粒子組成的材料性質的問題等。講座在同學們熱烈的掌聲中圓滿結束。