拓扑半金属研究意义论文

拓扑相变与拓扑相荣获2016年诺贝尔物理学奖，LIGO三剑客落选，拓扑绝缘体也无缘。

他们的分别是戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利兹。获奖理由为“在拓扑相变以及拓扑材料方面的理论发现”。

这三位科学家在物理学中引入了拓扑的概念，使用先进的数学方法来研究物质不同寻常的物相或状态，如超导体、超流体或磁性薄膜。开启了通往奇异物质状态研究的未知世界的大门。

看到这里，小伙伴们状态应该还是这样↓↓

别放弃，一点一点听蝌蚪君说。

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拓扑（Topology）原本是一个数学概念，描述的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。

在诺贝尔颁奖典礼上，组委会用一袋子面包解释起了拓扑是什么回事。（万万没想到，一袋子面包最终斩获大奖）

▲没有洞的肉桂卷（cinnamon bun）、一个洞的面包圈（bagel）和两个洞的碱水面包（pretzel）

蝌蚪君用一句话来描述拓扑相变，希望你们能明白↓↓

“拓扑就是形状，相变就是水变成水蒸气，发生在动量空间。”

▲物质最常见的是气体、液体、固体。如果在极高或极低的温度下，物质还有更多状态（相）

不同的物态之间是可以相互转化的，比如液态水银的电阻不是零，但在低温下它也可以变成超导体，电阻为零。

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为了更进一步理解拓扑相变与拓扑相，蝌蚪君专访了中科院物理所副研究员翁红明。

蝌蚪君：请问，本次得奖的拓扑相变与拓扑绝缘体之间的关系是什么？

翁红明：拓扑绝缘体是拓扑物态的一种；拓扑相变是不同的拓扑物态之间的转变——包括相变的规律以及其对应的物理现象。

蝌蚪君：如何评价拓扑相变先于拓扑绝缘体获奖，是不是因为拓扑相变具有更基础的框架性地位？

翁红明：据我了解，这次得诺贝尔物理奖的Thouless与Haldane的工作是开创了拓扑物态的研究领域。

Thouless是第一个提出用陈数来刻画拓扑物态的人。Haldane是第一个提出在没有强磁场的情况下在晶格体系中实现整数量子霍尔效应——也就是第一个拓扑量子物态。

（补充：陈数是一个来自整体微分几何的概念，陈就是我国数学家陈省身，丘成桐的博士论文导师。陈数基本上可以看成是一些外微分形式在流形上的积分，是一种拓扑不变量。）

蝌蚪君：“如何理解中科院物理所研究的外尔费米子与拓扑相的关系？

翁红明：外尔费米子属于拓扑半金属研究领域，这个领域与拓扑绝缘体一样，都属于其中一种拓扑物态。

（补充：中科院物理所的研究团队曾经在外尔费米子研究领域取得巨大进展，而上海交通大学的贾金锋研究组在拓扑超导态研究中取得巨大进展，这些都是拓扑物态研究中的中国力量。）

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现在，物理学家已经发现了多种多样的拓扑相，不仅存在于薄层和线状结构中，也存在于普通的三维材料中。

拓扑材料的研究不仅能帮助我们更深入地了解物质的奇异结构和状态，也为电子学和超导体领域带来了新的应用，或许还能助力未来量子计算机的研发。

麻省理工学院的研究人员发现了一种意想不到的材料，表现出一种被称为Kohn异常的奇异物理现象。 麻省理工学院和其他地方的研究人员认为， 这些过程有助于确定金属和其他材料为何显示出复杂的电子特性，这些电子特性成为当今技术的基础。研究小组说，电子与声子相互作用的方式决定了许多电子设备内部发生的物理过程。

这些相互作用一直难以详细研究，因为它们通常非常微弱。然而，新的研究发现了一种新的、更持久的不寻常的电子-声子相互作用，称为Kohn异常。这种异常现象以前被认为只存在于石墨烯等导电材料中，但在一种名为拓扑Weyl半金属的奇异材料中被发现。在这种情况下，Weyl半金属是磷化钽。科学家称，这一发现可以帮助阐明电子和声子之间复杂相互作用的重要方面。

麻省理工学院研究生Thanh Nguyen和Nina Andrejevic、博士后Ricardo Pablo-Pedro、研究科学家韩飞、李明达教授以及麻省理工学院和其他几所大学和国家实验室的14名人员本周末在论文上描述了这一新发现，该发现基于理论预测和实验观察。为了测量相互作用，该团队在三个国家实验室使用先进的中子和X射线散射探针来探测磷化钽材料的行为。

研究人员说，他们根据理论预测材料中存在Kohn异常。他们能够将实验引导到他们想要寻找该现象的地方，并且能够看到理论和实验之间有很好的一致性。研究人员表示，更好地理解电子-声子耦合，可以为开发更好的高温半导体或容错量子计算机等材料提供线索。该团队表示，由于这些材料是如此之新，他们需要时间来思考这些材料能做什么。

中国科学院强磁场科学中心8月20日消息：该科学中心田明亮研究员课题组发现一种新的半金属材料，相关研究成果在线发表在《自然通讯》(NatureCommunications)上。

这种新的半金属材料为拓扑半金属材料，具有极高的载流子迁移率等特点，在未来低能耗电子学器件应用上具有重要价值，因而成为国际凝聚态物理研究的前沿和热点研究方向之一。

据介绍，以前实验发现的拓扑半金属材料有三种，且三种材料中包含的准粒子均为四重或两重简并费米子，但是目前人们仅在钨-碳型材料WC和MoP中确认存在三重简并费米子。因此，探索包含三重简并费米子的拓扑半金属材料，对探索基本粒子性质，了解电子拓扑物态，进而开发新型电子器件具有重要意义。

近期，科研人员制备了高质量的单晶样品，利用稳态强磁场实验装置的水冷磁体(WM5，35T)和混合磁体(40T)对其磁输运性质进行了详细表征研究。根据实验与理论结果，科研人员发现这种拓扑半金属对制备小尺寸微纳器件及性能的调控具有重要的应用潜力。