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       2016年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了美國華盛頓大學(xué)的DavidJ. Thouless等三位教授，以表彰他們在理論上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷?b>拓?fù)湎嘧儯吹竭@四個(gè)字，就可能讓很多非科學(xué)人士停下閱讀的腳步。究竟什么是拓?fù)湎嘧儯@項(xiàng)研究對(duì)人類的生活意味著什么，中國在這方面的研究又如何呢？

拓?fù)涫且粋€(gè)數(shù)學(xué)上的名詞，它研究的是那些“不連續(xù)”的特征，例如沒有洞的肉桂卷、一個(gè)洞的面包圈和兩個(gè)洞的堿水面—在拓?fù)渖希@幾種結(jié)構(gòu)是完全不一樣的，即洞的數(shù)量不同。原來科學(xué)家一致認(rèn)為對(duì)于很薄的物質(zhì)，分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)讓它陷入無序之中，即不會(huì)存在“相變”（相指物質(zhì)的形態(tài)，例如：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)；變指變化。相變指物態(tài)的變化，例如冰變成了水）。但在20世紀(jì)70年代早期，邁克爾·科斯特里茲和大衛(wèi)·索雷思推翻了這一觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，在溫度足夠低的條件下，很薄的物質(zhì)也是會(huì)發(fā)生“相變”的。他們將自己證明的“相變”，稱之為“拓?fù)湎嘧?rdquo;，因?yàn)檫@用到了拓?fù)鋵W(xué)來描述。將拓?fù)鋵W(xué)概念應(yīng)用到物理學(xué)，這對(duì)后來的發(fā)現(xiàn)起到了決定性作用。在過去10年里，這一領(lǐng)域的研究促進(jìn)了凝聚態(tài)物理研究的前沿發(fā)展，人們不僅僅對(duì)拓?fù)洳牧夏軌蛟谛乱淮娮悠骷统瑢?dǎo)體中產(chǎn)生應(yīng)用抱有希望，而且看好其在未來量子計(jì)算機(jī)方面的應(yīng)用，這將給未來的計(jì)算機(jī)發(fā)展帶來翻天覆地的變化。

在拓?fù)洳牧霞捌湮锢硇再|(zhì)的研究方面，中國科學(xué)家也走在了前列：

2010年，中科院物理所方忠研究團(tuán)隊(duì)率先在拓?fù)洳牧系睦碚摵筒牧显O(shè)計(jì)方面取得了突破，被《科學(xué)》雜志稱作“實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系”。

2013年，中科院物理所方忠研究團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)薛其坤研究團(tuán)隊(duì)合作在極低溫輸運(yùn)測量裝置上觀測到了“量子反常霍爾效應(yīng)”。其研究成果發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志。

2014年，物理所研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)“三維石墨烯”，向?qū)崿F(xiàn)真正分離的“手性”電子邁出了關(guān)鍵的一步。同年，方忠研究團(tuán)隊(duì)首次預(yù)言在TaAs、TaP、NbAs和NbP等材料體系中可打破中心對(duì)稱的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩種“手性”電子的分離，即外爾電子態(tài)。

2015年物理所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)率先制備出具有原子級(jí)平整表面的大塊TaAs晶體，首次得到了外爾半金屬材料的角分辨光電子能譜，直接觀測到了表面的“費(fèi)米弧”，即外爾費(fèi)米子存在的證據(jù)，使得外爾費(fèi)米子80多年后第一次展現(xiàn)在科學(xué)家面前。

這一發(fā)現(xiàn)是國際上物理學(xué)研究的一項(xiàng)重要科學(xué)突破，對(duì)“拓?fù)潆娮訉W(xué)”等顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)具有非常重要的意義。該項(xiàng)成果從理論預(yù)言到實(shí)驗(yàn)觀測的全過程，都是由我國科學(xué)家獨(dú)立完成。英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)的Chemistry World、英國物理學(xué)會(huì)下屬的《物理世界》雜志等都進(jìn)行了專題報(bào)道。“發(fā)現(xiàn)外爾半金屬”研究入選英國《物理世界》“2015年度十大突破”、美國物理學(xué)會(huì)2015年物理學(xué)“標(biāo)志性進(jìn)展”以及科技部公布的2015年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。

未來，希望中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在拓?fù)洳牧系膽?yīng)用方面能繼續(xù)走在國際的最前列，在低能耗、多功能器件研發(fā)，量子計(jì)算機(jī)研發(fā)方面取得突破。

（作者單位：中國科學(xué)院物理研究所）