南大科学家开辟拓扑物态研究新路径 打破传统认知

你是否想过，我们手机、电脑里的芯片，未来可能不再依赖传统半导体？一场源自凝聚态物理领域的变革，正在为下一代量子信息和电子技术绘制蓝图。7月8日，南京大学万贤纲教授、唐峰教授、南京理工大学阚二军教授、杜永平副教授以及华东师范大学段纯刚教授等人凭借“拓扑半金属理论和拓扑材料计算预测”成果，在该领域作出了开创性贡献，获得2025年度国家自然科学奖二等奖。

过去几十年，科学家们发现了一类被称为“拓扑物态”的奇特量子状态，相关研究已斩获三次诺贝尔物理学奖。传统观点认为，这种奇特性质只存在于绝缘体材料中，而金属由于本身导电，被认为与之无缘。万贤纲和合作者在2011年提出了一个大胆设想：在一种含有铱元素的复杂氧化物材料中，由于同时存在强自旋轨道耦合和电子关联效应，这或许会产生意料之外的拓扑物态。经过系统的理论计算和模型分析，他们发现这种材料的电子行为可以用高能物理中的“外尔费米子方程”来描述。2011年，他们正式将这一全新量子物态命名为“外尔半金属”。

这项工作打破了拓扑物态仅存在于绝缘体中的传统认知，开启了“拓扑半金属”这一蓬勃发展的研究领域。该论文被《物理评论B》评选为创刊50周年的“里程碑”论文，评语明确指出“提出了一种新的量子物态”。截至目前，该成果已被国内外学者引用超过5600次，其中包括多位诺贝尔奖得主、美国科学院院士和中国科学院院士的引用。这一概念还被拓展到光学、声学、冷原子等多个学科领域，引发了国际持续研究热潮。

发现新物态只是第一步，找到真正能用的材料同样关键。传统方法判定材料拓扑性质涉及复杂的计算和波函数“规范选取”难题，效率低下，导致人们曾长期认为拓扑材料非常稀少。万贤纲团队从对称性这一基本物理性质出发，发展了一套全新的高效判定方法，成功规避了以往的计算瓶颈。利用这一方法，他们对已知非磁晶体材料进行了系统“筛查”，最终预测出超过一万种拓扑材料，并建立了免费开放的拓扑材料数据库，供全球科学家使用。

这项成果被学界评价为“拓扑材料的宝库”，有美国科学院院士指出，这一工作结束了逐个材料判断拓扑属性的时代，为量子材料分类带来了一场革命。2019年，该成果与中国科学院物理研究所的平行工作一起入选“中国十大科技进展新闻”。

尽管拓扑材料距离日常生活还有一段距离，但它们的特殊电子态具有高度稳定、低能耗等特性，有望在未来被用于制造更高效、更稳定的电子器件和量子计算元件。这项基础研究的突破，好比为未来技术储备了核心“原料”和一张详细的“藏宝图”。项目第一完成人万贤纲教授也因相关贡献获得了多个奖项和资助，并入选了美国物理学会会士。