2.1　拓?fù)潆娮討B(tài)研究背景

凝聚態(tài)物質(zhì)是由大量相互作用的粒子聚集而成的，該粒子聚集體往往會(huì)衍生出一些不同于組成它的粒子個(gè)體行為的新性質(zhì)、新現(xiàn)象。對它們的研究是凝聚態(tài)物理的主要內(nèi)容。常見的固體、液體、氣體等物質(zhì)，就是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子通過庫侖相互作用凝聚而成。固、液、氣等不同的組織形態(tài)被稱為不同的物態(tài)或物相。同種物質(zhì)，在不同的物態(tài)也會(huì)有不同的性質(zhì)。物態(tài)的變化，或者相變，通常伴隨著某些物性的變化。比如水隨溫度的變化在固、液、氣三相之間轉(zhuǎn)變，具有顯然不同的性質(zhì)。氣態(tài)水中的水分子在空間雜亂無章分布，在任意方位觀測都是等同的，但在固態(tài)冰中，水分子的分布破壞了空間任意方向的等價(jià)性，空間排列對稱性降低了。早在20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道、金茲堡等就提出“對稱性破缺”理論，發(fā)現(xiàn)相變過程中局域序參量發(fā)生對稱性破缺，以此對凝聚態(tài)體系進(jìn)行物態(tài)的分類和相變規(guī)律研究，取得了成功，成為凝聚態(tài)物理的基本理論之一。發(fā)現(xiàn)并刻畫新物態(tài)，研究相變過程及其相關(guān)現(xiàn)象和規(guī)律成為凝聚態(tài)物理研究的重要內(nèi)涵。

拓?fù)潆娮討B(tài)是十多年來人們發(fā)現(xiàn)的新物態(tài)，是一種全新的物態(tài)分類方式，為認(rèn)識物質(zhì)世界提供了全新的視角，具有非常重要的科學(xué)意義，開創(chuàng)該方向的物理學(xué)家于2016年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1]。不同于“對稱性破缺理論”所描述的局域序參量的長程有序態(tài)，拓?fù)潆娮討B(tài)是根據(jù)固體中電子能帶的非平庸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行分類的。通過研究電子能帶在倒格子空間分布的幾何特性，利用數(shù)學(xué)中拓?fù)涞母拍睿胪負(fù)洳蛔兞縼磉M(jìn)行刻畫，具有不同拓?fù)洳蛔兞康碾娮討B(tài)屬于不同的拓?fù)鋺B(tài)。拓?fù)湎嘧儼l(fā)生時(shí)，拓?fù)洳蛔兞堪l(fā)生改變，并不需要伴隨對稱性的破缺，但對稱性可以保護(hù)拓?fù)洳蛔兞坎⒂绊懰姆N類。如圖2-1所示，傳統(tǒng)的能帶理論可以把固體分為絕緣體和金屬兩大類，拓?fù)淠軒Ю碚搫t對絕緣體和金屬進(jìn)行更細(xì)致的拓?fù)浞诸悾瑢?dǎo)致拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘佟⑼負(fù)涑瑢?dǎo)體等。

圖2-1　能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致絕緣體和金屬的進(jìn)一步分類，產(chǎn)生拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俚韧負(fù)潆娮硬牧?/p>

拓?fù)潆娮討B(tài)具有獨(dú)特的全局穩(wěn)定性，相應(yīng)的拓?fù)湮镄詫ξ_和細(xì)節(jié)不敏感，可實(shí)現(xiàn)能量和信息的無損傳播等。在不同拓?fù)鋺B(tài)的界面處，拓?fù)湎嘧儠?huì)導(dǎo)致特征性的受到體內(nèi)拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊界態(tài)、表面態(tài)等。拓?fù)浞瞧接沟捏w態(tài)和邊緣態(tài)對光、電、磁等外場都有獨(dú)特的響應(yīng)，表現(xiàn)出許多新奇的拓?fù)淞孔蝇F(xiàn)象，是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證拓?fù)鋺B(tài)的依據(jù)。這些拓?fù)潆娮討B(tài)的概念也被推廣應(yīng)用到了光子晶體、聲子晶體以及更一般的由周期性外場驅(qū)動(dòng)的體系等。

當(dāng)前，拓?fù)淠軒Ю碚摽蚣芟碌墓腆w物質(zhì)的拓?fù)浞诸愐呀?jīng)相當(dāng)完備，人們甚至發(fā)展出通過系統(tǒng)的能帶計(jì)算來對所有已知的非磁性化合物進(jìn)行拓?fù)浞诸惖姆椒ê蛙浖ぞ撸⒘嗽诰€可查詢的拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫，使得人們能夠快速發(fā)現(xiàn)、研究和利用這些拓?fù)洳牧稀Ｒ虼送負(fù)潆娮硬牧系难芯块_始從基礎(chǔ)物理探索進(jìn)入到材料優(yōu)化、性能改善和器件開發(fā)等階段，為開發(fā)全新的電子器件奠定基礎(chǔ)。拓?fù)潆娮硬牧系难芯恐饕ㄈ缦滤膫€(gè)方面：

① 繼續(xù)進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究，揭示更多的拓?fù)湮飸B(tài)分類；

② 拓?fù)潆娮討B(tài)材料的搜尋、制備和優(yōu)化；

③ 拓?fù)湮镄缘难芯浚J(rèn)識和調(diào)控拓?fù)湮镄院土孔蝇F(xiàn)象；

④ 拓?fù)淦骷难邪l(fā)，實(shí)現(xiàn)新一代電子器件和應(yīng)用等。