拓撲是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的一個學(xué)科。它只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。那么，拓撲量子材料又是怎樣的一種材料，具有哪些特性呢？本期《視點前沿》欄目組采訪了來自華東師范大學(xué)的青年研究員袁翔老師，為大家分享他在拓撲量子材料中的最新進展。

強磁場與紅外光譜結(jié)合，探索拓撲量子材料

袁翔老師課題組目前有7位成員，主要研究拓撲量子材料。"拓撲量子材料研究有很多方法"，袁翔老師介紹道，"我們選擇一條比較特色的方法，把拓撲量子材料研究跟強磁場和紅外光譜結(jié)合，通過結(jié)合這兩個很重要的實驗技術(shù)，開拓了一個新的研究領(lǐng)域，可以解決一些現(xiàn)有的技術(shù)所不能研究的物理問題，我們此前的精力主要放在拓撲凝聚態(tài)的研究中，尤其是試圖解決在不同維度下拓撲凝聚態(tài)物理效應(yīng)的問題。比如說試圖把量子化效應(yīng)推廣到三維，因為我們發(fā)現(xiàn)在不同的維度下凝聚態(tài)中準(zhǔn)粒子的激發(fā)會出現(xiàn)一些很神奇的新效應(yīng)。這是我們的研究興趣所在，我們也試著努力把這個結(jié)合了強磁場和紅外光譜技術(shù)進行推廣并把這個領(lǐng)域開拓好。“

神秘的拓撲量子材料

拓撲是幾何學(xué)中常見的數(shù)學(xué)概念，那當(dāng)把拓撲和量子材料結(jié)合在一起的時候，會出現(xiàn)什么新奇的性質(zhì)呢？袁翔老師用日常生活中常見的球和游泳圈的區(qū)別來對大家進行拓撲的科普。他說，“當(dāng)大家去討論一個球和游泳圈的區(qū)別的時候，我們知道這是兩樣不同的東西。但如果我們重新拿出一樣?xùn)|西，比如一個帶把手的杯子，那情況就不一樣了。杯子的把手上有一個洞，游泳圈上也有一個洞，如果這時候我們只是從洞的數(shù)量上去討論這個科學(xué)問題的時候，我們會發(fā)現(xiàn)杯子和游泳圈是同樣的東西。如果把杯子做揉捏的形變操作，只要不做減和粘貼的操作，只是對它進行形變，那你是可以把杯子變成一個游泳圈的。但是你卻永遠沒有辦法把一個球通過連續(xù)形變變成一個杯子。我們把這樣的分類叫做拓撲。這是一種拓撲的分類方法，就是我們可以數(shù)數(shù)物體上有幾個洞，我們就可以用拓撲去定義它們。對于物理學(xué)家來說，最重要的是不同的拓撲分類有不同的物理效應(yīng)。比如像我們研究的拓撲物理凝聚態(tài)中，我們往往關(guān)注的是電子的相位，當(dāng)電子相位在經(jīng)歷一些演化并回到原點的時候，我們?nèi)タ聪辔蛔兓谋稊?shù)并用這個物理量來定義拓撲。這有點像我們在幾何上討論一個東西到底有幾個洞。所以這是在物理中電子相位或者是一些別的物理參數(shù)可以給我們提供一個類似的拓撲的定義，但是最重要的還是不同的拓撲分類在物理上有非常本質(zhì)的物理區(qū)別和物理現(xiàn)象。一旦我們實行了拓撲分類，比如剛才所說的游泳圈，它對很多東西是不敏感的，比如有一些雜質(zhì)的擾動，我們?nèi)ツ笠幌聞右幌拢亩磿肋h在當(dāng)中，這個洞導(dǎo)致的物理效應(yīng)全部還在，關(guān)鍵是特別穩(wěn)定，所以它將來有很多的應(yīng)用出口，比如說拓撲量子計算。我們也希望通過自己的努力，進一步更深入地了解拓撲。"

二維材料的超線性效應(yīng)

很多人們關(guān)心的拓撲凝聚態(tài)的準(zhǔn)粒子激發(fā)在層狀材料中才有，而層狀材料無論是在物理、器件應(yīng)用還是在材料研究中都是特別受到關(guān)注的一個系統(tǒng)。袁翔老師的課題組在研究中發(fā)現(xiàn)有一類新型材料可以產(chǎn)生強烈的光電效應(yīng)。一般情況下探測器的光電效率會隨著功率的增強而降低。而在袁翔老師研究的層狀材料系統(tǒng)中，他們發(fā)現(xiàn)隨著隨著光強的增加，光電導(dǎo)隨功率的關(guān)系由亞線性變?yōu)槌€性，在毫瓦量級的功率下，展現(xiàn)出指數(shù)達到1.5的強超線性。 “也就是說在強的光照下，材料的光電效率反而提高了。所以我們對這個有意思的現(xiàn)象很感興趣。因為它可以在強光下提高光電轉(zhuǎn)換效率，有可能會在光電器件上有更多潛在應(yīng)用。"

加強校企合作，提升國家整體科研水平

    說到與卓立漢光的淵源，袁老師說可以追溯到他的學(xué)生時代。他在當(dāng)學(xué)生的時候就與卓立和先鋒有合作，自己搭建了系統(tǒng)，系統(tǒng)中很多組件也都是從卓立購買，接觸最多的也是售前售后的工程師，袁老師謙虛地說他這些年也與卓立的工程師團隊一起在成長，也向卓立學(xué)習(xí)了很多硬件的知識。而對于國產(chǎn)儀器，袁老師表示非常支持，“雖然國外儀器雖然對我們科研也很重要，但是我也看到國外儀器有一些不合理的地方。我希望國產(chǎn)儀器性能提升一方面對我們的科研起到更重要的作用，可以降低科研的成本，從另外一個角度說能增加我們可以做的事情，可以有更多的研究人員投入，這對我們非常重要。從另外一個層面看，國產(chǎn)儀器的發(fā)展也代表了我們國家科研水平的一個層級。而我也在做一些簡單的儀器研發(fā)，從我自己來說，如果國內(nèi)可以買到的，我一般會優(yōu)先支持國產(chǎn)設(shè)備，因為我希望不論是儀器廠家還是科研人員，需要通過相互合作來增強彼此的競爭力，雖然現(xiàn)在我們很多地方還在追趕國外的先進技術(shù)，但是我覺得已經(jīng)看到了要趕上的趨勢。所以讓我們繼續(xù)保持合作，把國產(chǎn)儀器做得越來越好。"

結(jié)束語

愉快的訪談結(jié)束，印象特別深刻的就是袁翔老師用球和游泳圈的類比為我們深入淺出的科普了拓撲量子材料的概念，讓我們感受到科學(xué)真的是源于生活，而又高于生活。低維材料的魅力在于它能產(chǎn)生許多新奇的性質(zhì)，比如袁老師提到的超線性光電響應(yīng)，超高電導(dǎo)率，特殊表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)等。我們也期待袁老師課題組后續(xù)在拓撲量子材料研究領(lǐng)域的開拓上有更多新的成就。

袁翔，復(fù)旦大學(xué)物理系博士，加州大學(xué)伯克利分校聯(lián)合培養(yǎng)博士，現(xiàn)任華東師范大學(xué)青年研究員、博導(dǎo)。主要從事拓撲量子材料的強磁場特性研究，致力于對拓撲半金屬開展強磁場紅外光譜、電輸運等物理性質(zhì)的聯(lián)合探索，同時兼顧拓撲納米應(yīng)用器件。在SCI學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文30余篇，其中以第一或通訊作者發(fā)表Nature 1篇，Nature Materials 2篇，Nature Communications 2篇等，部分論文獲ESI高引。