2.3　我國在拓?fù)潆娮硬牧项I(lǐng)域的貢獻(xiàn)

拓?fù)潆娮硬牧鲜堑湫偷男屡d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(xué)科的發(fā)展，將我國推到了拓?fù)潆娮硬牧涎芯康氖澜缜傲小Ｔ谶^去十多年里，拓?fù)潆娮硬牧项I(lǐng)域的發(fā)展總體來看可以分為5個重要的階段，包括：二維拓?fù)浣^緣體；三維拓?fù)浣^緣體；量子反常霍爾效應(yīng)；拓?fù)浒虢饘伲煌負(fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫等。下面將簡要敘述我國科學(xué)家團(tuán)體在這些階段里的關(guān)鍵性工作和貢獻(xiàn)。

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?fù)浣^緣體的理論、材料計算設(shè)計和實驗觀測等。國內(nèi)科學(xué)家開始關(guān)注并進(jìn)入該領(lǐng)域，以跟蹤國外的最新進(jìn)展為主，尤其是通過與國外團(tuán)隊合作，培養(yǎng)出一批敢于進(jìn)入新領(lǐng)域的年輕人，主要包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院物理所、半導(dǎo)體所等研究團(tuán)隊。在此方向的研究中，我國科學(xué)家突出性的研究成果包括：北京大學(xué)的杜瑞瑞等報道在InSb/GaSb量子阱中發(fā)現(xiàn)二維拓?fù)浣^緣體態(tài)[86]；中科院物理所姚裕貴組[87]，清華大學(xué)段文暉、徐勇組，斯坦福大學(xué)張首晟組等[88]提出Sn烯等；中科院半導(dǎo)體所的常凱與斯坦福大學(xué)張首晟合作提出GaAs/Ge量子阱[89]；中科院物理所提出單層ZrTe₅和HfTe₅[90]，氧修飾的MXene[91]和氧化物ZrSiO[92]；北京理工大學(xué)提出單層Bi₄Br₄和Bi₄I₄[93]等。

第二階段，大概是從2008年到2012年，三維拓?fù)浣^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?fù)潆娮硬牧涎芯康膰H前沿。其中，2009年中國科學(xué)院物理研究所的方忠、戴希小組和斯坦福大學(xué)的張首晟小組合作，通過第一性原理計算，預(yù)言了3種三維拓?fù)浣^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?fù)湮镄缘膶嶒炑芯砍蔀榭赡埽瑤缀跛械耐負(fù)湮镄远荚谶@類材料上得到實現(xiàn)和測量。在實驗研究方面，清華大學(xué)、北京大學(xué)和中科院物理所等團(tuán)隊生長高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜，進(jìn)行各類譜學(xué)、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(rèn)可。值得一提的是，許多第一性原理計算拓?fù)洳蛔兞亢屯負(fù)浔砻鎽B(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(yù)言拓?fù)潆娮硬牧系闹匾耐ㄓ玫挠嬎愎ぞ摺＿@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?fù)洳蛔兞坑嬎?span id="beubqxv" class="super">[94]，用于關(guān)聯(lián)電子體系的拓?fù)涔茴D理論[95]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)之上量子反常霍爾效應(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(dǎo)性力量。首先在理論上獲得突破，2008年清華大學(xué)高等研究中心、中國科學(xué)院物理研究所與斯坦福大學(xué)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?fù)浣^緣體HgTe薄膜中實現(xiàn)鐵磁性，即可得到量子反常霍爾效應(yīng)。然而，實驗證明磁性元素?fù)诫s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)量子反常霍爾效應(yīng)。2010年中國科學(xué)院物理研究所方忠、戴希和美國斯坦福大學(xué)張首晟等在Science發(fā)表論文，指出在Bi₂Se₃、Bi₂Te₃和Sb₂Te₃等拓?fù)浣^緣體薄膜中摻入磁性元素Cr或者Fe，可以實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。2013年，由薛其坤院士領(lǐng)銜的清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所聯(lián)合研究團(tuán)隊，在Sb₂Te₃拓?fù)浣^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)了量子反常霍爾效應(yīng)，證實了此前的理論預(yù)言。此后，日本理化研究所、美國麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)洛杉磯分校等世界一流實驗室都先后重復(fù)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)[96-105]。我國研究隊伍，包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和中科院物理所的團(tuán)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(jìn)展。

第四階段，時間上大約從2011年開始到現(xiàn)在，包括拓?fù)浒虢饘倮碚摰慕⒓捌洳牧蠈崿F(xiàn)等。隨著各類拓?fù)浒虢饘俚奶岢龊蛯崿F(xiàn)，許多理論和實驗工作都積極開展起來，拓?fù)潆娮硬牧涎芯康闹行暮颓把刂饾u從拓?fù)浣^緣體轉(zhuǎn)向拓?fù)浒虢饘佟Ｔ谶@個階段，中國的研究者們繼續(xù)發(fā)揮了主導(dǎo)性的作用。2011年，南京大學(xué)的萬賢綱與加利福尼亞大學(xué)的Savrasov和Ashvin Vishwanath等人合作，他們首先提出燒綠石結(jié)構(gòu)的非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?fù)浒虢饘偈堑依税虢饘貼a₃Bi和Cd₃As₂，均由中科院物理所的上述團(tuán)隊理論預(yù)言，并與牛津大學(xué)的實驗人員合作驗證。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?fù)浒虢饘僬嬲M(jìn)入實驗研究階段。接著，2015年，中科院物理所的團(tuán)隊預(yù)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(jìn)展。其后，在2016年和2017年，中科院物理所的理論和實驗團(tuán)隊密切合作，在國際上率先發(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(zhǔn)粒子的新途徑。最后，2018年中國人民大學(xué)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)，即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(tuán)隊也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(tuán)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(hù)的節(jié)線半金屬，首次提出其表面的拓?fù)淦綆?dǎo)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[106]、CaP₃體系[107]和ZrSiS體系[93]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(tuán)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?fù)潆娮硬牧系哪軒Ю碚撢呌谕陚洌負(fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫建成。基于前期發(fā)現(xiàn)的拓?fù)潆娮硬牧希負(fù)淠軒Ю碚撘驳玫搅诉M(jìn)一步發(fā)展，揭示了晶體結(jié)構(gòu)、原子組分與部分能帶拓?fù)渲g的關(guān)系，譬如普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊提出了拓?fù)浠瘜W(xué)理論，哈佛大學(xué)的團(tuán)隊提出對稱性指標(biāo)理論等，為判斷由晶體對稱性保護(hù)的拓?fù)浞瞧接菇^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?fù)湓~典”理論，提出了對稱性指標(biāo)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?fù)洳蛔兞恐g的完整映射關(guān)系，給出拓?fù)洳蛔兞繉?dǎo)致的邊界態(tài)效應(yīng)等，為建立拓?fù)潆娮硬牧蠑?shù)據(jù)庫奠定了基礎(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(jìn)行了拓?fù)浞诸悾⒘嗽诰€可檢索數(shù)據(jù)庫，從而使得拓?fù)潆娮硬牧系难芯繌耐負(fù)鋺B(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(xué)的萬賢綱與哈佛大學(xué)團(tuán)隊合作，中科院物理所的王志俊與普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊合作，也進(jìn)行了相似的材料計算、拓?fù)潆娮硬牧系耐負(fù)浞诸惡蛿?shù)據(jù)庫建設(shè)。