中國科學家首次用新方法預測出大批拓撲材料

從中國科學院物理研究所獲悉，該所一組科研團隊開發出一種快速計算晶體材料的拓撲性質的新方法，并用此方法在近4萬種材料中發現了8千余種拓撲材料，十幾倍于過去十幾年間人們找到的拓撲材料的總和，并據此建立了拓撲電子材料的在線數據庫。這一成果意義重大。它改變了拓撲量子材料這一研究方向的研究范式，將該方向的重點從“尋找新材料”推進到“研究新材料”。

拓撲量子材料被認為將在超低功耗電子元件的研究和量子信息等領域起到重要基礎作用。因此，如何尋找更多的新拓撲材料也因此成為了國際凝聚態物理領域的重要問題。此前，物理所已進行了一系列探索，并在拓撲絕緣體、量子反常霍爾效應、外爾半金屬等方面做出了重要貢獻。

團隊的通信作者之一、中科院物理所的方辰研究員介紹，在實驗中直接測量拓撲性質是困難的，因此首先用計算的方法預測材料的拓撲性質，就成為了尋找拓撲材料的重要的一環。然而，在過去的研究中，由于不變量的表達式十分繁難，這一計算往往需要深耕于該領域的專家耗費大量時間精力才能完成。“手動搜索”的局限性，使人們難以預測絕大部分材料的拓撲性質。

物理所團隊開發出了通過計算材料能帶的對稱性數據從而自動獲得其拓撲不變量的一套完整的、快速的、可以全自動運行的計算流程。在經過該流程之后，任何一種非磁性晶體材料都將獲得一個“拓撲標簽”，寫著它是否具有，以及具有哪些拓撲性質。

大批拓撲量子材料在理論上的發現，改變了拓撲量子材料這一研究方向的研究范式，并給未來的實驗研究提供了很多線索和機會。

物理所成果由該所方辰研究員、翁紅明研究員、方忠研究員等人與中國科學院計算機網絡信息中心聯合完成。其中一個小組是來自美國的普林斯頓大學、西班牙巴斯克大學和德國馬克斯-普朗克研究所的科學家，另一小組是來自南京大學和美國哈佛大學的科學家。他們兩個小組的工作內容，同樣是通過計算能帶高對稱點的對稱性數據從而得到材料的拓撲性質，方法和物理所研究小組采用的方法一致，三個研究組得到的結果也彼此相洽、相互印證。