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拓撲是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的一個(gè)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(diǎn)前沿》欄目組采訪(fǎng)了來(lái)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(jìn)展。

強磁場(chǎng)與紅外光譜結合，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(chǎng)和紅外光譜結合，通過(guò)結合這兩個(gè)很重要的實(shí)驗技術(shù)，開(kāi)拓了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，可以解決一些現有的技術(shù)所不能研究的物理問(wèn)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)物理效應的問(wèn)題。比如說(shuō)試圖把量子化效應推廣到三維，因為我們發(fā)現在不同的維度下凝聚態(tài)中準粒子的激發(fā)會(huì )出現一些很神奇的新效應。這是我們的研究興趣所在，我們也試著(zhù)努力把這個(gè)結合了強磁場(chǎng)和紅外光譜技術(shù)進(jìn)行推廣并把這個(gè)領(lǐng)域開(kāi)拓好?！?/span>

神秘的拓撲量子材料

拓撲是幾何學(xué)中常見(jiàn)的數學(xué)概念，那當把拓撲和量子材料結合在一起的時(shí)候，會(huì )出現什么新奇的性質(zhì)呢？袁翔老師用日常生活中常見(jiàn)的球和游泳圈的區別來(lái)對大家進(jìn)行拓撲的科普。他說(shuō)，“當大家去討論一個(gè)球和游泳圈的區別的時(shí)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東西，比如一個(gè)帶把手的杯子，那情況就不一樣了。杯子的把手上有一個(gè)洞，游泳圈上也有一個(gè)洞，如果這時(shí)候我們只是從洞的數量上去討論這個(gè)科學(xué)問(wèn)題的時(shí)候，我們會(huì )發(fā)現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(jìn)行形變，那你是可以把杯子變成一個(gè)游泳圈的。但是你卻永遠沒(méi)有辦法把一個(gè)球通過(guò)連續形變變成一個(gè)杯子。我們把這樣的分類(lèi)叫做拓撲。這是一種拓撲的分類(lèi)方法，就是我們可以數數物體上有幾個(gè)洞，我們就可以用拓撲去定義它們。對于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，最重要的是不同的拓撲分類(lèi)有不同的物理效應。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，當電子相位在經(jīng)歷一些演化并回到原點(diǎn)的時(shí)候，我們去看相位變化的倍數并用這個(gè)物理量來(lái)定義拓撲。這有點(diǎn)像我們在幾何上討論一個(gè)東西到底有幾個(gè)洞。所以這是在物理中電子相位或者是一些別的物理參數可以給我們提供一個(gè)類(lèi)似的拓撲的定義，但是最重要的還是不同的拓撲分類(lèi)在物理上有非常本質(zhì)的物理區別和物理現象。一旦我們實(shí)行了拓撲分類(lèi)，比如剛才所說(shuō)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(dòng)，我們去捏一下動(dòng)一下，它的洞會(huì )永遠在當中，這個(gè)洞導致的物理效應全部還在，關(guān)鍵是特別穩定，所以它將來(lái)有很多的應用出口，比如說(shuō)拓撲量子計算。我們也希望通過(guò)自己的努力，進(jìn)一步更深入地了解拓撲。"

二維材料的超線(xiàn)性效應

很多人們關(guān)心的拓撲凝聚態(tài)的準粒子激發(fā)在層狀材料中才有，而層狀材料無(wú)論是在物理、器件應用還是在材料研究中都是特別受到關(guān)注的一個(gè)系統。袁翔老師的課題組在研究中發(fā)現有一類(lèi)新型材料可以產(chǎn)生強烈的光電效應。一般情況下探測器的光電效率會(huì )隨著(zhù)功率的增強而降低。而在袁翔老師研究的層狀材料系統中，他們發(fā)現隨著(zhù)隨著(zhù)光強的增加，光電導隨功率的關(guān)系由亞線(xiàn)性變?yōu)槌€(xiàn)性，在毫瓦量級的功率下，展現出指數達到1.5的強超線(xiàn)性。 “也就是說(shuō)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(gè)有意思的現象很感興趣。因為它可以在強光下提高光電轉換效率，有可能會(huì )在光電器件上有更多潛在應用。"

加強校企合作，提升國家整體科研水平

    說(shuō)到與卓立漢光的淵源，袁老師說(shuō)可以追溯到他的學(xué)生時(shí)代。他在當學(xué)生的時(shí)候就與卓立和先鋒有合作，自己搭建了系統，系統中很多組件也都是從卓立購買(mǎi)，接觸最多的也是售前售后的工程師，袁老師謙虛地說(shuō)他這些年也與卓立的工程師團隊一起在成長(cháng)，也向卓立學(xué)習了很多硬件的知識。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(gè)角度說(shuō)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(gè)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(gè)層級。而我也在做一些簡(jiǎn)單的儀器研發(fā)，從我自己來(lái)說(shuō)，如果國內可以買(mǎi)到的，我一般會(huì )優(yōu)先支持國產(chǎn)設備，因為我希望不論是儀器廠(chǎng)家還是科研人員，需要通過(guò)相互合作來(lái)增強彼此的競爭力，雖然現在我們很多地方還在追趕國外的先進(jìn)技術(shù)，但是我覺(jué)得已經(jīng)看到了要趕上的趨勢。所以讓我們繼續保持合作，把國產(chǎn)儀器做得越來(lái)越好。"

結束語(yǔ)

愉快的訪(fǎng)談結束，印象特別深刻的就是袁翔老師用球和游泳圈的類(lèi)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(xiàn)性光電響應，超高電導率，特殊表面效應，量子尺寸效應等。我們也期待袁老師課題組后續在拓撲量子材料研究領(lǐng)域的開(kāi)拓上有更多新的成就。

袁翔，復旦大學(xué)物理系博士，加州大學(xué)伯克利分校聯(lián)合培養博士，現任華東師范大學(xué)青年研究員、博導。主要從事拓撲量子材料的強磁場(chǎng)特性研究，致力于對拓撲半金屬開(kāi)展強磁場(chǎng)紅外光譜、電輸運等物理性質(zhì)的聯(lián)合探索，同時(shí)兼顧拓撲納米應用器件。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。