方忠,，翁紅明

中國科學院物理研究所

第三節(jié)：我國在拓撲電子材料領(lǐng)域的貢獻

拓撲電子材料是典型的新興研究領(lǐng)域，世界各國的研究基本上在同一時期啟動,。我國在這一領(lǐng)域的研究經(jīng)歷了一個從零起步,，跟跑，并跑,，到交替領(lǐng)跑的發(fā)展過程,，獨立做出了若干具有國際影響力的工作,，在關(guān)鍵時間節(jié)點上引領(lǐng)了學科的發(fā)展，將我國推到了拓撲電子材料研究的世界前列,。在過去十多年里,，拓撲電子材料領(lǐng)域的發(fā)展總體來看可以分為5個重要的階段，包括：1）二維拓撲絕緣體,；2）三維拓撲絕緣體,；3）量子反常霍爾效應(yīng),；4）拓撲半金屬,；5）拓撲材料數(shù)據(jù)庫等。下面將簡要敘述我國科學家團體在這些階段里的關(guān)鍵性工作和貢獻,。

第一階段,，大約是從2005年到2007年，領(lǐng)域內(nèi)研究的重點是二維拓撲絕緣體的理論,、材料計算設(shè)計和實驗觀測等,。國內(nèi)科學家開始關(guān)注并進入該領(lǐng)域，以跟蹤國外的最新進展為主,，尤其是通過與國外團隊合作,，培養(yǎng)出一批敢于進入新領(lǐng)域的年輕人，主要包括清華大學,、北京大學,、中科院物理所、半導體所等研究團隊,。在此方向的研究中,，我國科學家突出性的研究成果包括：北京大學的杜瑞瑞等報道在InSb／GaSb量子阱中發(fā)現(xiàn)二維拓撲絕緣體態(tài)，中科院物理所姚裕貴組,、清華大學段文暉,、徐勇組、斯坦福大學張首晟組等提出的Sn烯等,，中科院半導體所的常凱與斯坦福大學張首晟合作提出的GaAs/Ge量子阱,，中科院物理所提出的單層ZrTe₅和HfTe₅,，氧修飾的MXene和氧化物ZrSiO,，北京理工大學提出的單層Bi₄Br₄和Bi₄I₄等。

第二階段,，大概是從2008年到2012年,，三維拓撲絕緣體的研究開始興起，來自中國的研究者們做出了重要的工作,，開始走到了拓撲電子材料研究的國際前沿,。其中,，2009年中國科學院物理研究所的方忠、戴希小組和斯坦福大學的張首晟小組合作,，通過第一性原理計算,，預言了3種三維拓撲絕緣體材料Bi₂Se₃、Bi₂Te₃和Sb₂Te₃,，并獲得合作實驗的驗證,。由于發(fā)現(xiàn)了性能優(yōu)良的材料體系，使得各種拓撲物性的實驗研究成為可能,，幾乎所有的拓撲物性都在這類材料上得到實現(xiàn)和測量,。在實驗研究方面，清華大學,、北京大學和中科院物理所等團隊生長高質(zhì)量拓撲絕緣體薄膜,，進行各類譜學、輸運實驗測量,，連續(xù)取得突破性成果,，得到了國際上的高度認可。值得一提的是,，許多第一性原理計算拓撲不變量和拓撲表面態(tài)的方法及程序在這一階段被發(fā)展起來,，并獲得應(yīng)用，成為后來預言拓撲電子材料的重要的通用的計算工具,。這包括計算波函數(shù)的中心對稱本征值,，基于局域Wannier函數(shù)的體態(tài)計算和結(jié)合格林函數(shù)的表面態(tài)計算，基于Wilson loop的拓撲不變量計算,，用于關(guān)聯(lián)電子體系的拓撲哈密頓理論和方法等,。

第三階段，大概從2010年到2013年,，在第二階段的基礎(chǔ)之上量子反?；魻栃?yīng)的一種實現(xiàn)方案被提出和實現(xiàn)。國內(nèi)的研究隊伍成為了主導性力量,。首先在理論上獲得突破,，2008年清華大學高等研究中心、中國科學院物理研究所與斯坦福大學的張首晟教授合作提出,，如果能通過摻雜磁性元素,，在二維拓撲絕緣體HgTe薄膜中實現(xiàn)鐵磁性，即可得到量子反?；魻栃?yīng),。然而，實驗證明磁性元素摻雜的HgTe薄膜在低溫下并不能出現(xiàn)自發(fā)的鐵磁有序，因此在這一體系中并不能實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng),。2010年中國科學院物理研究所方忠、戴希和美國斯坦福大學張首晟等在《Science》發(fā)表論文,，指出在Bi₂Se₃,、Bi₂Te₃和Sb₂Te₃等拓撲絕緣體薄膜中摻入磁性元素Cr或者Fe，可以實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng),。2013年，由薛其坤院士領(lǐng)銜的清華大學,、中國科學院物理研究所聯(lián)合研究團隊,，在Sb₂Te₃拓撲絕緣體薄膜中成功摻入了磁性元素Cr，形成了穩(wěn)定的鐵磁絕緣體態(tài)并成功實現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng),，證實了此前的理論預言。此后,，日本理化研究所,、美國麻省理工學院和加州大學洛杉磯分校等世界一流實驗室都先后重復了這一工作。最近,，人們發(fā)現(xiàn)反鐵磁MnBi₂Te₄系列材料的薄膜可實現(xiàn)較高溫度的,、甚至高陳數(shù)的量子化反常霍爾效應(yīng),。我國研究隊伍,，包括清華大學、北京大學,、南京大學,、復旦大學和中科院物理所的團隊，在其中做出了許多重要的理論和實驗工作,，推動并引領(lǐng)了這方面的研究進展,。

第四階段，時間上大約從2011年開始到現(xiàn)在,，包括拓撲半金屬理論的建立及其材料實現(xiàn)等,。隨著各類拓撲半金屬的提出和實現(xiàn),，許多理論和實驗工作都積極開展起來,，拓撲電子材料研究的中心和前沿逐漸從拓撲絕緣體轉(zhuǎn)向拓撲半金屬,。在這個階段,，中國的研究者們繼續(xù)發(fā)揮了主導性的作用。2011年,，南京大學的萬賢綱與加利福尼亞大學的Savrasov和Ashvin Vishwanath等人合作首先他們提出燒綠石結(jié)構(gòu)的飛共線反鐵磁銥氧化物Re₂Ir₂O₇是一種外爾半金屬。同年,，中科院物理所方忠,、戴希,、翁紅明等提出HgCr₂Se₄等為鐵磁外爾半金屬，但這兩種材料均沒有獲得實驗證實,。首個實驗實現(xiàn)的拓撲半金屬是狄拉克半金屬Na₃Bi和Cd₃As₂,，均由中科院物理所的上述團隊理論預言、并與牛津大學的實驗人員合作驗證的,。這兩種材料是目前研究最為廣泛的狄拉克半金屬,，它們的發(fā)現(xiàn)使得拓撲半金屬真正進入實驗研究階段。接著,，2015年,，中科院物理所的團隊預言TaAs，TaP,，NbAb,，NbP等材料為非磁性外爾半金屬并被實驗證實，成為首個實驗實現(xiàn)的外爾半金屬,，使得相關(guān)研究得到了快速進展,；其后，在2016和2017年,，中科院物理所的理論和實驗團隊密切合作,，國際上率先發(fā)現(xiàn)了三重簡并點半金屬，開辟了探尋固體中新型費米子準粒子的新途徑,；最后,，2018年中國人民大學雷和暢、王善才和中科院物理所翁紅明等合作,，發(fā)現(xiàn)了鐵磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂,，從而最終完成了磁性外爾半金屬的發(fā)現(xiàn)，完成了所有兩類外爾半金屬的發(fā)現(xiàn),。與此同時,，德國馬普所的團隊也于獨立做出了相同的發(fā)現(xiàn)。對于節(jié)線半金屬,，2015年,，中科院物理所的方忠、戴希,、翁紅明團隊首次提出無自旋體系中由時間反演和中心反演對稱保護的節(jié)線半金屬,，首次提出其表面的拓撲平帶導致的鼓面態(tài)。其后,，還有更多的節(jié)線半金屬材料被理論提出,，包括Cu₃PdN體系，CaP₃體系和ZrSiS體系等，并研究了節(jié)線與狄拉克點,、外爾點之間的轉(zhuǎn)變,。中科院金屬所的陳星秋團隊提出s電子簡單金屬體系具有節(jié)線半金屬態(tài)并獲實驗證實。這些材料體系均獲得廣泛關(guān)注,，引發(fā)了許多后續(xù)工作,。

第五階段，從2018年到現(xiàn)在,，拓撲電子材料的能帶理論趨于完備,，拓撲材料數(shù)據(jù)庫建成?；谇捌诎l(fā)現(xiàn)的拓撲電子材料,，拓撲能帶理論也得到了進一步發(fā)展，揭示了晶體結(jié)構(gòu),、原子組份與部分能帶拓撲之間的關(guān)系,，譬如普林斯頓大學的研究團隊提出了拓撲化學理論，哈佛大學的團隊提出對稱性指標理論等,，為判斷由晶體對稱性保護的拓撲非平庸絕緣態(tài)提供了較為統(tǒng)一的理論和方法,。2018年中科院物理所的方忠、方辰等在上述理論基礎(chǔ)上,，提出“拓撲詞典”理論,，提出了對稱性指標的簡單的能帶計算方法，提出了230種空間群中對稱性數(shù)據(jù)與拓撲不變量之間的完整映射關(guān)系,，給出拓撲不變量導致的邊界態(tài)效應(yīng)等,，為建立拓撲電子材料數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)。2019年中科院物理所的方忠,、方辰,、翁紅明等依據(jù)上述理論，采用高通量材料計算,，掃描了所有已知的非磁性化合物,，對它們進行了拓撲分類，建立了在線可檢索數(shù)據(jù)庫,，從而使得拓撲電子材料的研究從拓撲態(tài)的材料實現(xiàn),，轉(zhuǎn)入相關(guān)物性研究和器件開發(fā)階段。與此同時,，南京大學的萬賢綱與哈佛大學團隊合作,、中科院物理所的王志俊與普林斯頓大學團隊合作，也進行了相似的材料計算,、拓撲電子材料的拓撲分類和數(shù)據(jù)庫建設(shè),。

第四節(jié)：本文作者在該領(lǐng)域內(nèi)的學術(shù)思想和主要研究成果

拓撲電子材料研究是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近十多年內(nèi)涌現(xiàn)出來的全新的研究方向,，縱觀整個領(lǐng)域的發(fā)展，與其他研究方向相比,，它的發(fā)展模式具有非常明顯的個性,，從而形成了一種嶄新的研究范式。這種研究范式可以分成5個互相銜接,、相互補充、相互促進的環(huán)節(jié)：1）理論概念的突破是整個領(lǐng)域的先導,，幾乎所有的新拓撲量子態(tài)都是由理論模型分析得到的,；2）可靠的材料電子結(jié)構(gòu)計算成為尋找目標材料的重要工具，成功預言了幾乎所有的拓撲電子材料,；3）高質(zhì)量材料制備提供了符合實驗要求的樣品,，為各種實驗的展開提供物質(zhì)基礎(chǔ)；4）以角分辨光電子能譜,、掃描隧道電子顯微鏡等譜學表征手段,，對電子態(tài)的拓撲特性進行直接觀測，利用輸運,、光學,、熱力學等測量手段對拓撲電子態(tài)引起的各種聲、光,、電,、熱效應(yīng)進行詳細研究；5）實驗研究為理論和計算提供了反饋,，提出了新的理論需求,，進一步促進和完善了理論和計算的發(fā)展，導致拓撲電子能帶理論,，拓撲電子材料理論的建立,。這5個研究環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，密切配合,，共同形成拓撲電子材料基礎(chǔ)研究的完整過程,，在深刻地理解拓撲電子態(tài)導致的各種物性以后，期望能夠開展各種以應(yīng)用為導向的量子器件研究,，推動拓撲電子材料的真正應(yīng)用,。正如前面所述，拓撲電子材料研究中出現(xiàn)的各個重大突破,，無論是量子自旋霍爾效應(yīng),，還是三維拓撲絕緣體，再到量子反?；魻栃?yīng)和拓撲半金屬,，都經(jīng)過了上述環(huán)節(jié),，都符合這種新的研究范式。而凝聚態(tài)物理的其他領(lǐng)域的研究,，更多依靠實驗中偶發(fā)性突破的舊模式,，實驗上的新發(fā)現(xiàn)導致新理論的建立或者舊理論框架的突破，因此進展緩慢且隨機性強,。拓撲領(lǐng)域內(nèi)的這種新研究范式無疑更為高效,，理論，計算,，實驗,，三個方面密切合作，極大地加速了拓撲電子材料研究的進展,，我們不但取得了許多重大的科學成果,，大大深化了對凝聚態(tài)體系的認識，同時也成功樹立了這樣一種全新的研究范式,。如何強化和發(fā)展這種研究范式,，是否能推廣到其他領(lǐng)域，是今后需要考慮的問題,。

拓撲電子態(tài)是一類全新的量子物態(tài),，它的發(fā)現(xiàn)與研究對整個物理學帶來了深遠影響，2016年的諾貝爾物理獎授予了拓撲相及其相變研究,。如前面所述,，本文的作者及其研究團隊在該方向做出了若干具有重要國際影響的成果，介紹如下：

一,、三維拓撲絕緣體Bi₂Se₃,，Bi₂Te₃，Sb₂Te₃的理論預言

二維拓撲絕緣體被發(fā)現(xiàn)之后,，三維拓撲絕緣體成為一個重要的研究方向,。2006年，幾個國外理論小組幾乎同時在理論上提出了三維拓撲絕緣體,，但預言的Bi_1-xSb_x合金不僅有很多無序相,，而且電子結(jié)構(gòu)上體能隙較小，甚至沒有整體能隙,，不適合拓撲邊緣態(tài)的觀測,，也不利于在電子器件上的應(yīng)用。2009年中科院物理所的方忠,、張海軍,、戴希等人組成的團隊和Stanford大學張首晟小組合作，從理論上預言了Bi₂Se₃,、Sb₂Te₃和Bi₂Te₃三種化合物可能是三維拓撲絕緣體,，其體能隙在百毫電子伏量級,，且其表面具有最簡單的拓撲表面態(tài)，即單個狄拉克錐形色散能帶,。它們都有可能用于實現(xiàn)室溫低能耗的自旋電子器件,。該材料體系性質(zhì)穩(wěn)定，具有層狀結(jié)構(gòu),，實驗上可以得到非常純凈的高品質(zhì)體相和薄膜樣品,，十分有利于器件設(shè)計、加工和調(diào)控,。后續(xù)跟進的一系列與該類拓撲絕緣體相關(guān)的實驗和理論工作引發(fā)了國際凝聚態(tài)物理學界對三維拓撲絕緣體的研究熱潮,，幾乎所有的拓撲絕緣體的物性和效應(yīng)都在該類材料體系中得到實現(xiàn)和觀測，使得該類材料成為拓撲絕緣體的原型材料,，被稱為“新一代拓撲絕緣體”,。尤其是,，在這項工作中,，基于第一性原理計算來進行拓撲材料計算的方法和程序被發(fā)展起來，包括計算波函數(shù)的中心對稱操作的本征值,，基于局域Wannier函數(shù)的體態(tài)拓撲不變量計算和結(jié)合格林函數(shù)的表面態(tài)計算,，基于Wilson loop的拓撲不變量計算等，這些都成為后來拓撲電子材料計算的標準方法,，被廣泛應(yīng)用,。

二、量子反?；魻栃?yīng)的理論預測與實驗實現(xiàn)

“量子反?；魻栃?yīng)”是多年來拓撲物態(tài)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì),，是一種全新的量子效應(yīng),；同時它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準的材料設(shè)計,、制備與調(diào)控,。1988年美國物理學家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑,。2010年中科院物理所方忠,、戴希帶領(lǐng)的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計上取得了突破,，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi₂Te₃,、Bi₂Se₃、Sb₂Te₃族拓撲絕緣體中存在著特殊的Van Vleck鐵磁交換機制,，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體,，是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。他們的計算表明,，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下,，即處在“量子反常霍爾效應(yīng)”態(tài),。該理論與材料設(shè)計的突破引起了國際上的廣泛興趣,，許多世界頂級實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反?；魻栃?yīng),。2013年，中科院物理所何珂,、呂力,、馬旭村、王立莉,、方忠,、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟,、王亞愚,、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關(guān),，在這場國際競爭中率先取得突破,。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜,、門電壓控制,、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu),、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控,，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)₂Te₃拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反?；魻栃?yīng)”,。被稱為實現(xiàn)了霍爾效應(yīng)量子化的三重奏，分別是量子霍爾效應(yīng),，量子自旋霍爾效應(yīng)和量子反?；魻栃?yīng)。

三,、拓撲半金屬理論及其材料預測

繼拓撲絕緣體發(fā)現(xiàn)之后,，拓撲電子材料領(lǐng)域內(nèi)的一個重大科學問題是是否存在拓撲的金屬態(tài)、如何實現(xiàn),、如何分類,、有何特色物理性質(zhì),？本文作者及其團隊經(jīng)過深入系統(tǒng)的研究，成功將拓撲電子態(tài)的分類從絕緣體推廣到了金屬,，計算預言了若干拓撲半金屬材料體系,，并被實驗證實和廣泛研究，開辟了拓撲物態(tài)領(lǐng)域的研究新方向,，引領(lǐng)了該方向的國際進展,。這些研究成果不僅拓寬并加深了人類對拓撲物態(tài)的理解，同時拓撲半金屬所呈展出的很多新奇且基本的量子現(xiàn)象也為未來電子技術(shù)的變革性發(fā)展提供了新的可能,。

2003年方忠及其合作者,，通過研究反常霍爾效應(yīng)的內(nèi)秉物理本質(zhì),，發(fā)現(xiàn)了動量空間中磁單極的存在,，該磁單極即外爾點。該發(fā)現(xiàn)為拓撲半金屬研究奠定了基礎(chǔ),，并獲2008年國際理論物理中心ICTP獎,。2011年，方忠,、戴希,、余睿等提出并實現(xiàn)了基于Wilson Loop的拓撲不變量計算方法,，避免了規(guī)范選取的困難,，成為計算判定材料拓撲性質(zhì)的重要方法之一?；谶@些理論和方法,，該團隊近年來在拓撲電子態(tài)研究，特別是拓撲半金屬理論和材料預測方面取得了若干重大突破,。具體包括如下：

1.   提出了拓撲狄拉克半金屬材料理論,，計算預測了首兩個材料體系Na₃Bi和Cd₃As₂，并被實驗實現(xiàn),，打開了研究拓撲半金屬物性的大門,。

2.   計算發(fā)現(xiàn)了首個被實驗證實的非磁性外爾半金屬TaAs家族材料，實現(xiàn)了“手性”電子態(tài)—外爾費米子,。相關(guān)工作入選英國物理學會2015年物理世界十大突破,、美國物理學會2015年八大亮點工作、2015年中國科學十大進展,。2018年,，該工作入選'物理評論'系列期刊誕辰125周年紀念文集。

3.   理論提出了鐵磁性外爾半金屬的材料HgCr₂Se₄及其新效應(yīng),，計算發(fā)現(xiàn)了首個被實驗證實的鐵磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂材料,，完成兩類外爾半金屬的材料實現(xiàn),。

4.   計算預言了固體中的新奇費米子—三重簡并費米子，并被實驗證實,。理論提出了無自旋-軌道耦合節(jié)線半金屬的形成機制,、候選材料以及表面拓撲平帶導致的鼓面態(tài)等。

這一系列系統(tǒng)性研究成果表明,，本文作者及其團隊在拓撲半金屬研究領(lǐng)域做出了開拓性的貢獻,。他們通過發(fā)展特色的計算方法，提出了拓撲半金屬材料理論,，計算預測了狄拉克半金屬,、外爾半金屬、三重簡并點半金屬等新型拓撲電子材料,，并被實驗證實,，成功將拓撲物態(tài)分類從絕緣體推廣到了金屬，開辟了拓撲半金屬的研究新方向,。這些原創(chuàng)性成果產(chǎn)生了重大國際影響,，多次入選國際物理界評選的重大進展，推動我國在該領(lǐng)域研究站在了國際前沿,。

四,、拓撲電子材料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)

要研究拓撲電子材料，最基本的第一步就是要將它們從浩如煙海的化合物中尋找出來,，每一類新的拓撲材料的成功預言,，都在領(lǐng)域內(nèi)引起了廣泛關(guān)注?？茖W家憑著對拓撲物態(tài)深刻的認識,、清晰的物理圖像和豐富的材料經(jīng)驗，能夠成功預言若干拓撲材料,，為建立和完善拓撲材料理論打下了基礎(chǔ),。2019年，本文作者及其團隊開發(fā)了高通量計算方法,，計算了所有已知的非磁性化合物,，利用對稱性指標理論、拓撲量子化學理論,，以及拓撲詞典方法,，對它們進行了拓撲分類，建立了拓撲電子材料數(shù)據(jù)庫,，發(fā)現(xiàn)自然界大約24%的化合物具有拓撲非平庸性質(zhì),，改變了人們認為拓撲材料非常稀少的觀念，同時也將領(lǐng)域的研究重點從尋找拓撲材料轉(zhuǎn)變到研究材料性質(zhì)、開發(fā)利用材料等方向,，是一個具有轉(zhuǎn)折點意義的工作,。

第五節(jié)  我國在該領(lǐng)域的未來發(fā)展重點和前沿展望

拓撲電子材料研究大致經(jīng)歷了1970-2000年代的萌芽和發(fā)育期，2000-2006年的新概念產(chǎn)生期,，以及2006年后的突破與大發(fā)展期,。當前，新物態(tài),、新材料和新現(xiàn)象呈現(xiàn)井噴式爆發(fā),，多種拓撲材料體系不斷涌現(xiàn)，已發(fā)展成為與傳統(tǒng)的對稱破缺理論描述的物態(tài)相并肩的研究領(lǐng)域,，成為凝聚態(tài)的一個全新分支,。至今，拓撲物態(tài)已經(jīng)發(fā)展出了許多成員,，成為一個龐大的家族,，包括Z2拓撲絕緣體、量子反?；魻栃?yīng)態(tài),、拓撲晶體絕緣體、高階拓撲絕緣體,、拓撲半金屬（包括狄拉克半金屬,、外爾半金屬、節(jié)線半金屬和三重簡并半金屬等）,、關(guān)聯(lián)拓撲絕緣體,、拓撲超導等。拓撲物態(tài)分類的概念也被迅速擴展到了其他領(lǐng)域,，例如：拓撲光子晶體,、拓撲聲子晶體,、Floquet拓撲絕緣體,、拓撲電路、拓撲聲波等等,?？v觀該領(lǐng)域的發(fā)展，經(jīng)歷了概念發(fā)展——材料發(fā)現(xiàn)——物性研究的過程,，下一步最應(yīng)該關(guān)注的是如何調(diào)控拓撲物態(tài),、利用拓撲物性在拓撲材料中實現(xiàn)功能器件。

在短期內(nèi),，我們應(yīng)該專注于拓撲電子物態(tài)的基礎(chǔ)科學研究,，著眼具有應(yīng)用前景的拓撲量子效應(yīng)和材料。澄清重要理論問題，包括磁性拓撲態(tài),、手性費米子,、拓撲熱電、拓撲磁化,、拓撲光電等熱點問題,，發(fā)展相關(guān)材料物性計算能力?；谝阎耐負洳牧蠑?shù)據(jù)庫,，合成更多的優(yōu)質(zhì)備選材料。實現(xiàn)液氮溫度附近的量子反?；魻栃?yīng)材料,，實驗實現(xiàn)并證明軸子絕緣體、高階拓撲絕緣體等拓撲物態(tài),，獲得在拓撲絕緣體和半金屬中引入控制電子關(guān)聯(lián)的方法,。提升我國材料制備和物性測量先進設(shè)備自主研發(fā)的能力。更長遠來看,，我國拓撲電子材料研究目標定位在拓撲量子態(tài)基礎(chǔ)科學和應(yīng)用技術(shù)方面取得重大突破,。在概念和物性理論方面取得引領(lǐng)性突破，在實驗上發(fā)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)一系列新穎拓撲量子效應(yīng),，獲得多種可在液氮溫度以上呈現(xiàn)拓撲效應(yīng)的量子材料,，設(shè)計和制備基于拓撲量子效應(yīng)的多種器件，建立起基于拓撲量子物態(tài)和效應(yīng)的電子學的框架,?；谶@些理解，需要注意在以下幾個方面：

1,、基礎(chǔ)理論研究的長期穩(wěn)定支持：從拓撲物態(tài)的發(fā)展歷程可以看出,，在早期的基礎(chǔ)理論原始創(chuàng)新方面，我國科學家的貢獻不夠突出,。但值得注意的是,，在后續(xù)關(guān)聯(lián)拓撲，超導拓撲等基礎(chǔ)理論方面,，中國科學家逐步展開有引領(lǐng)性,，突破性的工作。這點需要對基礎(chǔ)理論工作者進行長期穩(wěn)定的支持,，鼓勵更多的人潛心研究,，敢于挑戰(zhàn)。

2,、加強對拓撲材料的搜索,、設(shè)計和優(yōu)化研究：拓撲電子材料是整個拓撲物態(tài)理論研究的實際載體,，是拓撲物性及其調(diào)控的物質(zhì)對象，是新技術(shù)和應(yīng)用的材料基礎(chǔ),。面對搜索,、設(shè)計和優(yōu)化拓撲材料日益增加的需求，下一步迫切需要加強信息化,、系統(tǒng)化的新材料研發(fā)模式,，促進基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用。

3,、推動拓撲原型器件的探索：利用拓撲材料具有新奇拓撲物性的特點,，即無耗散的電荷、自旋疏運,，具有全局穩(wěn)定高容錯性,，非局域交叉電、磁,、光,、熱調(diào)控等，可用于拓撲量子計算的非阿貝兒統(tǒng)計態(tài)等,，推動拓撲原型器件的探索,，這些在新一代電子和信息器件方面具有潛在的應(yīng)用價值，抓住這樣的機遇,，大力推動原型器件的探索和嘗試,，可以在未來產(chǎn)業(yè)革命中占據(jù)主導地位。

4,、加強物性測量和調(diào)控科學儀器,、裝置建設(shè)：拓撲物態(tài)是最近十多年來才發(fā)展起來的新領(lǐng)域，在新物性,，新現(xiàn)象的研究和新調(diào)控手段的開發(fā)上需要開發(fā)更多的儀器裝備,，有些甚至是一些大科學裝置。所以,，為了避免大量經(jīng)費用于簡單,、重復購置國外的儀器設(shè)備，需要在創(chuàng)新性科學儀器的研制上,、高質(zhì)量高穩(wěn)定儀器的量產(chǎn)化上提高自身的研發(fā)能力,。

參考文獻從略。