吳根1，王兵2，陳卓敏3，楊濤4

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.西安交通大學(xué);3.復(fù)旦大學(xué);4.西北大學(xué))

　　拓?fù)湮飸B(tài)的發(fā)現(xiàn)對整個物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。這些全新拓?fù)湮镄缘某霈F(xiàn)有望徹底顛覆現(xiàn)有的電子、信息與半導(dǎo)體技術(shù)，從而推動整個社會跨越式進(jìn)步。本報告在對拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域國內(nèi)外研究動態(tài)以及我國發(fā)展現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了拓?fù)湮飸B(tài)研究中形成的高效研究模式，并對如何強(qiáng)化和發(fā)展這種研究模式提出思考。

　　一、關(guān)于拓?fù)湮飸B(tài)

　　1. 定義與內(nèi)涵

　　拓?fù)湮飸B(tài)是由量子效應(yīng)導(dǎo)致的與某些拓?fù)湫再|(zhì)相聯(lián)系的新物態(tài)。拓?fù)湮飸B(tài)是物理學(xué)角度的物態(tài)分類中的一種，是指具有一定拓?fù)涮匦缘奈镔|(zhì)狀態(tài)會因其拓?fù)涮匦远尸F(xiàn)出特殊的，甚至是全新的物理性質(zhì)，是拓?fù)鋵W(xué)概念在物理系統(tǒng)中的體現(xiàn)。

　　凝聚態(tài)物理的主要研究內(nèi)容就是發(fā)現(xiàn)并描述新物態(tài)，研究其相變的過程、現(xiàn)象和規(guī)律。物質(zhì)的狀態(tài)豐富多彩，如何分類并正確描述，是核心的科學(xué)問題。在拓?fù)湮飸B(tài)被發(fā)現(xiàn)前，科學(xué)家們認(rèn)為幾乎所有的物態(tài)都可以用“對稱性”和某種“局域序參量”來描寫，而物態(tài)轉(zhuǎn)變(相變)的過程都伴隨著“對稱性破缺”，這種觀點(diǎn)延續(xù)了半個多世紀(jì)。拓?fù)湮飸B(tài)的發(fā)現(xiàn)(特別是量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))徹底顛覆了這種觀點(diǎn)。

　　有一大類全新的物態(tài)——拓?fù)湮飸B(tài)，不能僅用對稱性的觀點(diǎn)描述，其相變過程也沒有必要伴隨對稱性的破缺。要正確描述這類物態(tài)，必須用到數(shù)學(xué)中“拓?fù)洹薄巴負(fù)洳蛔兞俊奔啊巴負(fù)漕悺钡母拍?。這為我們認(rèn)識物質(zhì)世界提供了一個全新的視角。

　　2. 研究拓?fù)湮飸B(tài)的意義

　　拓?fù)湮飸B(tài)研究是近10年來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域內(nèi)最為重要和快速發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)之一，其影響力已從凝聚態(tài)物理研究輻射到整個物理學(xué)，乃至化學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)、生物學(xué)、電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、能源技術(shù)等廣闊的領(lǐng)域。

　　拓?fù)湮飸B(tài)的出現(xiàn)給我們帶來了全新的豐富拓?fù)湮镄裕纾和負(fù)溥吔鐟B(tài)、手征對稱性、無耗散、非定域響應(yīng)、拓?fù)浔Ｗo(hù)等等，有些特性是在以前的凝聚態(tài)物理研究中從未遇到的。這些全新拓?fù)湮镄缘某霈F(xiàn)有望徹底顛覆我們現(xiàn)有的電子、信息和半導(dǎo)體技術(shù)，從而推動整個技術(shù)體系跨越式進(jìn)步。這也是近10年來，歐美日等強(qiáng)國競相加大拓?fù)湮飸B(tài)研究，力爭搶占該領(lǐng)域制高點(diǎn)的原因。

　　隨著現(xiàn)有半導(dǎo)體電子器件尺寸的不斷減小，能耗問題、量子隧穿與量子漲落效應(yīng)等問題，從根本上阻礙了半導(dǎo)體電子器件的進(jìn)一步微型化和集成化，成為現(xiàn)代信息和電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸。迫切需要探索和開發(fā)高效率、低能耗和突破量子尺寸效應(yīng)的新一代器件。拓?fù)湮飸B(tài)具有獨(dú)特的對環(huán)境細(xì)節(jié)不敏感的特性，可實(shí)現(xiàn)能量和信息的無損耗傳播，這將變革現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)，有望產(chǎn)生基于新概念的電子和自旋器件、磁電和熱電材料及器件、拓?fù)淞孔佑嬎闫骷龋苿幽茉春托畔⒌犬a(chǎn)業(yè)的發(fā)展和變革。

　　二、國際研究現(xiàn)狀與趨勢

　　拓?fù)湮飸B(tài)的研究經(jīng)歷三個時期：1970—2000年的萌芽和發(fā)育期，2000—2006年的新概念產(chǎn)生期，2006年至今的突破與大發(fā)展期。近50年的研究，拓?fù)湮飸B(tài)成為與傳統(tǒng)對稱破缺理論描述的物態(tài)并肩的研究領(lǐng)域，開拓了人們認(rèn)識世界的廣度和深度。拓?fù)湮飸B(tài)新奇的物性被密切地研究，對拓?fù)湮镄缘恼{(diào)控將帶來更多全新的技術(shù)和應(yīng)用。

　　上個世紀(jì)70年代，戴維·索利斯和邁克爾·科斯特利茨在超導(dǎo)/超流薄膜中發(fā)現(xiàn)了渦旋態(tài)拓?fù)湓ぐl(fā)，首次在凝聚態(tài)物理中引入拓?fù)涞母拍睢?

　　上個世紀(jì)80年代，整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激發(fā)了更進(jìn)一步的研究。戴維·索利斯等人提出用能帶拓?fù)鋽?shù)，即TKNN數(shù)或陳數(shù)來理論解釋整數(shù)臺階狀霍爾電導(dǎo)。同期，鄧肯·霍爾丹在整數(shù)量子自旋鏈中發(fā)現(xiàn)不同于半整數(shù)量子自旋鏈的拓?fù)湎?，提出?shí)現(xiàn)無需外磁場的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的晶格模型。

　　這些先驅(qū)性工作與英國物理學(xué)家M. V. Berry在上個世紀(jì)80年代總結(jié)和推廣的貝里相位理論一起，開啟了拓?fù)湮飸B(tài)研究領(lǐng)域的大門。在此期間，盡管科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識到了拓?fù)湮飸B(tài)是一類全新的物態(tài)，但是真正能夠?qū)嶒?yàn)實(shí)現(xiàn)的拓?fù)湮飸B(tài)非常少，而且需要非常苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，阻礙了拓?fù)湮飸B(tài)的研究。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，兩個方面的研究進(jìn)展產(chǎn)生了新概念：一是2000—2004年，國際上幾個研究小組(包括Qian Niu、N. Nagaosa、方忠、姚裕貴、A. MacDonald、D. Vanderbilt等)發(fā)現(xiàn)電子能帶結(jié)構(gòu)中的幾何Berry相位可以導(dǎo)致內(nèi)稟的反?；魻栃?yīng)，并可實(shí)現(xiàn)動量空間的磁單極(一種拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu));二是2005—2006年，C. L. Kane和張首晟等人先后發(fā)現(xiàn)了具有時間反演不變性的二維材料體系中的Z2拓?fù)洳蛔兞亢土孔幼孕魻栃?yīng)。關(guān)于電子能帶結(jié)構(gòu)中的Berry相位的研究使人們認(rèn)識到，除了實(shí)空間中可能具有的拓?fù)湮飸B(tài)外，電子運(yùn)動的動量空間，從而實(shí)現(xiàn)豐富的拓?fù)鋺B(tài)。關(guān)于Z2不變量的研究，是第一次深刻地刻畫了如何在考慮時間反演對稱性的情況下，定義動量空間的拓?fù)湮飸B(tài)。這些理論進(jìn)展和新概念的產(chǎn)生，為后期該領(lǐng)域的突破奠定了重要基礎(chǔ)。

　　2006年起，該領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)入了突破與大發(fā)展期，是新材料、新現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的爆發(fā)期。由于多種拓?fù)洳牧象w系的發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域取得了突破性發(fā)展。在此期間，中國科學(xué)家群體的貢獻(xiàn)和被國際認(rèn)可程度，也呈現(xiàn)出大幅增長的態(tài)勢。主要的進(jìn)展包括4個里程碑式的突破：

　　1. 二維拓?fù)浣^緣體的提出、實(shí)現(xiàn)及物性研究

　　時間大致從2006年到2007年，做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)的是斯坦福大學(xué)的張首晟和他的兩位學(xué)生A. Bernevig和T. Hughes。他們于2006年12月在《Science》雜志上發(fā)表論文，提出了在HgTe/CdTe量子阱體系中可以實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。

　　一年后，德國維爾茲堡大學(xué)的L. Molenkamp小組通過輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)，在上述量子阱中觀察到了量子自旋霍爾效應(yīng)所特有的邊緣態(tài)輸運(yùn)通道，給出了在HgTe/CdTe量子阱中存在量子自旋霍爾效應(yīng)和二維拓?fù)浣^緣體態(tài)的有力證據(jù)。

　　在此期間，我國科學(xué)家尚處于核心研究圈子的外圍，以跟蹤國外(主要是美國賓夕法尼亞大學(xué)和斯坦福大學(xué)等)的最新進(jìn)展為主。我國清華大學(xué)高等研究中心的博士生祁曉亮，在美國猶他大學(xué)的吳詠時和斯坦福大學(xué)的張首晟教授的指導(dǎo)下，首次提出了能帶反轉(zhuǎn)導(dǎo)致拓?fù)淞孔討B(tài)的理論模型，是這一階段國內(nèi)做出的最有國際影響力的工作。杜瑞瑞等也發(fā)表論文，在InAs/GaSb的半導(dǎo)體量子阱中發(fā)現(xiàn)二維拓?fù)浣^緣體態(tài)。

　　2. 三維拓?fù)浣^緣體的提出、實(shí)現(xiàn)及物性研究

　　從這個階段開始，中國的研究者們逐漸走到了拓?fù)湮飸B(tài)研究的國際前沿。

　　2007年美國賓夕法尼亞大學(xué)的傅亮、C. Kane和E. Mele把拓?fù)浣^緣體的概念從二維推廣到了三維，指出在三維拓?fù)浣^緣體表面存在著自旋軌道鎖定的、具有狄拉克型線性色散關(guān)系的表面態(tài)，預(yù)言了鉍銻合金體系是實(shí)現(xiàn)三維拓?fù)浣^緣體的候選材料。其后在鉍銻合金中開展的角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)表明，雖然在該體系中的確存在理論預(yù)言的表面態(tài)，但該合金體系并不存在整體半導(dǎo)體能隙，并非真正意義上的絕緣體，不是理想的三維拓?fù)浣^緣體材料。

　　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)的張首晟小組等合作，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。與鉍銻合金不同，這3種材料都具有較大的整體能隙，其中性能最佳的Bi2Se3的能隙高達(dá)0.3 eV，使得在室溫下觀測各種拓?fù)湮镄猿蔀榭赡堋?

　　與理論計算工作幾乎同時，美國普林斯頓大學(xué)的Hasan和Cava研究組，完全獨(dú)立地通過角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了Bi2Se3的拓?fù)浣^緣體特性。最終理論和實(shí)驗(yàn)的兩篇論文，同時以背靠背的形式，發(fā)表在2009年6月的《Nature Physics》上。

　　一年之后，斯坦福大學(xué)的沈志勛小組，成功地通過角分辨光電子能譜，證實(shí)了Bi2Te3是三維拓?fù)浣^緣體。此后，新的三維拓?fù)浣^緣體材料不斷被發(fā)現(xiàn)。迄今為止絕大多數(shù)關(guān)于三維拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)工作，都是在Bi2Se3家族材料中開展的。具有良好性能的三維拓?fù)浣^緣體材料的發(fā)現(xiàn)，為研究其各種拓?fù)湮镄蕴峁┝撕芎玫膶?shí)驗(yàn)平臺。

　　在非磁性雜質(zhì)散射下無背散射過程，是拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的最重要特征。這一特性可以通過STM實(shí)驗(yàn)，分析雜質(zhì)附近的準(zhǔn)粒子干涉圖樣來證實(shí)。在Bi2Se3家族材料發(fā)現(xiàn)后不久，普林斯頓大學(xué)的Yazdani小組和清華大學(xué)的陳曦、薛其坤小組等都通過STM實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了拓?fù)浔砻鎽B(tài)的這一重要特征。

　　與此同時，各種輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)也在進(jìn)行，包括表面態(tài)導(dǎo)致的磁震蕩、磁場輸運(yùn)、熱點(diǎn)效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)等。其中，最重要的表面輸運(yùn)效應(yīng)，是在磁阻測量中發(fā)現(xiàn)的反弱局域化現(xiàn)象。在這一研究領(lǐng)域內(nèi)，普林斯頓大學(xué)的P. Ong、中國科學(xué)院物理研究所的李永慶、呂力小組，清華大學(xué)的王亞愚小組和普渡大學(xué)的陳勇小組，都做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

　　表面電子態(tài)的另一個重要特征，是在磁場下形成的表面朗道能級和相應(yīng)的表面量子霍爾效應(yīng)。在這一研究領(lǐng)域內(nèi)，清華大學(xué)的陳曦、薛其坤小組和日本理化研究所的Hanaguri小組，于2010年率先通過STM觀測到了表面朗道能級;日本理化研究所的Tokura小組和普渡大學(xué)的陳勇小組于2014年成功觀測到了拓?fù)浣^緣體表面態(tài)形成的量子霍爾效應(yīng)。

　　在表面輸運(yùn)的理論研究方面，香港大學(xué)的沈順清、盧海舟，北京大學(xué)的謝心澄、孫慶豐、施俊仁等都做出了很好的工作。這些輸運(yùn)和熱力學(xué)效應(yīng)的研究，為今后拓?fù)淞孔悠骷脑O(shè)計和研發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

　　3. 量子反?；魻栃?yīng)的提出和實(shí)現(xiàn)

　　這方面的研究首先是在理論上獲得突破。2008年清華大學(xué)高等研究中心的博士生劉朝星、祁曉亮，中國科學(xué)院物理研究所的方忠、戴希與斯坦福大學(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(shí)現(xiàn)鐵磁性，即可得到量子反?；魻栃?yīng)。遺憾的是，該體系在低溫下并不能出現(xiàn)自發(fā)的鐵磁有序，無法實(shí)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》雜志上發(fā)表論文，通過定量計算指出，在Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜中摻入磁性元素Cr或者Fe，即使在體態(tài)絕緣的情況下，也可以形成長程鐵磁態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。

　　2013年，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(BiSb)2Te3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)，成功實(shí)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)，證實(shí)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(shí)驗(yàn)室重復(fù)了這一工作。

　　量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)現(xiàn)，是在整個拓?fù)洳牧涎芯恐?，第一次真正觀測到嚴(yán)格的無耗散輸運(yùn)，具有非常重要的意義。

　　4. 拓?fù)浒虢饘俚奶岢?、?shí)現(xiàn)及物性研究

　　在這個研究階段，中國的研究者們發(fā)揮了引領(lǐng)作用。2003年方忠、Nagaosa等的研究工作不僅闡明了反常霍爾效應(yīng)的內(nèi)秉本質(zhì)，同時展示了動量空間中磁單極的存在，這種能帶結(jié)構(gòu)形成的有效磁單極，其實(shí)就是拓?fù)浒虢饘俚脑汀?

　　2011年，南京大學(xué)的萬賢綱與加利福尼亞大學(xué)的S.Savrasov、Ashvin Vishwanath等人合作，首次通過理論計算提出在燒綠石結(jié)構(gòu)的銥氧化物Re2Ir2O7(Re=稀土元素)中，可能實(shí)現(xiàn)外爾半金屬態(tài)，并指出外爾半金屬的表面上可以有連接外爾點(diǎn)在表面投影的費(fèi)米弧。同年，中國科學(xué)院物理研究所方忠、戴希研究組預(yù)言鐵磁性的HgCr2Se4也是外爾半金屬。但這些磁性體系由于材料本身和實(shí)驗(yàn)手段的局限，一直沒有得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

　　實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)的第一種拓?fù)浒虢饘俨牧希堑依税虢饘貼a3Bi，這是由中國科學(xué)院物理研究所的方忠、戴希、翁紅明等人首先通過理論計算提出，隨后牛津大學(xué)的陳宇林小組最先通過角分辨光電子能譜予以實(shí)驗(yàn)證實(shí)。第二種被廣泛研究的狄拉克半金屬是Cd3As2，也是由中國科學(xué)院物理研究所的方忠、戴希、翁紅明等人通過理論計算提出，由牛津大學(xué)的陳宇林小組予以實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

　　存在正反兩種手性的電子態(tài)，是拓?fù)浒虢饘俚闹匾卣髦?。在狄拉克半金屬中，這兩種手性的電子態(tài)在動量空間的同一點(diǎn)上出現(xiàn)，因此對于各種晶格畸變并不穩(wěn)定。要實(shí)現(xiàn)真正穩(wěn)定的拓?fù)浒虢饘賾B(tài)，需要把正反兩種手性的電子態(tài)在動量空間中分離，這就是外爾半金屬態(tài)。實(shí)驗(yàn)上第一個實(shí)現(xiàn)的外爾半金屬材料是TaAs家族材料，由TaAs、TaP、NbAs、NbP四種材料組成。TaAs家族外爾半金屬材料，也是由由中國科學(xué)院物理研究所的翁紅明、方忠、戴希等人與普林斯頓大學(xué)的A. Bernevig教授等合作并首先通過理論計算提出。

　　此后，中國科學(xué)院物理研究所的丁洪小組、普林斯頓大學(xué)的Hasan小組以及牛津大學(xué)的陳宇林小組，幾乎同時通過角分辨光電子能譜，觀測到了能帶結(jié)構(gòu)中的外爾點(diǎn)和表面的費(fèi)米弧，證實(shí)了在這類材料中外爾半金屬態(tài)的存在。

　　外爾半金屬和狄拉克半金屬中最重要的輸運(yùn)效應(yīng)，就是由所謂手性反常導(dǎo)致的負(fù)磁阻現(xiàn)象。此類材料發(fā)現(xiàn)以后，通過輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究其手性反常效應(yīng)成為研究熱點(diǎn)。在輸運(yùn)研究領(lǐng)域，普林斯頓大學(xué)的P. Ong小組、中國科學(xué)院物理所的陳根富小組、北京大學(xué)的賈爽小組和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的李強(qiáng)小組，都做出了重要的開創(chuàng)性工作。

　　至今，拓?fù)湮飸B(tài)已經(jīng)發(fā)展出了許多成員，成為一個龐大的家族，關(guān)于強(qiáng)關(guān)聯(lián)拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涑瑢?dǎo)等的研究都有重要進(jìn)展。2016年上海交通大學(xué)的賈金鋒組在s波超導(dǎo)體的表面生長出高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體，在界面上探測到超導(dǎo)態(tài)，并在磁渦旋中探測到Majorana零能模，引起國際上的廣泛關(guān)注。

　　該領(lǐng)域的研究迅速擴(kuò)展到拓?fù)涔庾泳w、拓?fù)渎曌泳w、Floquet拓?fù)浣^緣體等廣闊的領(lǐng)域。在這些研究中，中國都占據(jù)了重要位置。

　　縱觀該領(lǐng)域的發(fā)展，經(jīng)歷了概念發(fā)展—材料發(fā)現(xiàn)—物性研究的重要過程，下一步是如何利用這些特有的拓?fù)湮镄詠碚嬲龑?shí)現(xiàn)某些功能器件。在基礎(chǔ)的范圍內(nèi)，該領(lǐng)域的研究還在醞釀著新的突破。

　　展望未來10年，有望在以下幾個方面產(chǎn)生新的突破：一是如何對這些拓?fù)湮飸B(tài)進(jìn)行統(tǒng)一的分類;二是電子相互作用導(dǎo)致的新的拓?fù)淞孔討B(tài);三是拓?fù)浒虢饘俨牧暇哂心男┢娈惖奈锢硇再|(zhì);四是拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究與發(fā)現(xiàn);五是拓?fù)湎嘧兊钠者m理論研究。

　　三、我國研究現(xiàn)狀與水平

　　我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)歷了從零起步、跟蹤國外先進(jìn)水平、獨(dú)立做出具有國際影響力的工作、引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展的工作的過程。

　　中國在該領(lǐng)域的研究，雖然起步較晚，但是發(fā)展非?？?，迅速占據(jù)了世界領(lǐng)先的位置。無論是在理論計算研究方面，還是在實(shí)驗(yàn)研究方面，中國的科學(xué)家們都做出了重要貢獻(xiàn)，在一定程度上引領(lǐng)了該領(lǐng)域的國際進(jìn)展。

　　根據(jù)拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域的SCI論文統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在論文的數(shù)量和質(zhì)量(引用率)方面，中國在該領(lǐng)域的國際地位僅次于美國，位居世界第二。近10多年是拓?fù)湮飸B(tài)的高速、全面發(fā)展階段，中國研究人員在若干關(guān)鍵問題上取得了重要成就，推動和引領(lǐng)了拓?fù)湮飸B(tài)的發(fā)展。

　　我國的科研團(tuán)隊已經(jīng)達(dá)到了拓?fù)淞孔硬牧涎芯款I(lǐng)域的國際領(lǐng)先水準(zhǔn)，如中國科學(xué)院物理研究所方忠和戴希的理論團(tuán)隊，清華大學(xué)薛其坤的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊，北京大學(xué)謝心澄、牛謙團(tuán)隊，上海交通大學(xué)賈金峰團(tuán)隊，南京大學(xué)萬賢剛團(tuán)隊等。

　　與美國相比，我們在高水平科研團(tuán)隊的數(shù)量上尚存在差距。我國迫切需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究投入和積累，加強(qiáng)和鼓勵優(yōu)勢單位之間的合作，整合資源，更有效地推動我國在這一領(lǐng)域總體水平的提高。

　　四、關(guān)于研究范式進(jìn)一步的思考

　　通過該領(lǐng)域的研究，我們?nèi)〉昧嗽S多重大的科學(xué)成果，深化了對凝聚態(tài)體系的認(rèn)識，成功收獲了一種全新的研究模式。

　　這種研究模式可以分成4個互相銜接的環(huán)節(jié)，即：

　　1.理論概念的突破是整個研究過程的先導(dǎo);

　　2.以可靠的電子結(jié)構(gòu)計算為主要工具來進(jìn)行材料搜索和設(shè)計，發(fā)現(xiàn)新的拓?fù)淞孔硬牧?

　　3.制備各種高質(zhì)量材料，獲得符合要求的樣品;

　　4.以角分辨光電子能譜、掃描隧道電子顯微鏡等譜學(xué)表征手段，對電子態(tài)的拓?fù)涮匦赃M(jìn)行直接觀測，利用輸運(yùn)、光學(xué)、熱力學(xué)等測量手段對拓?fù)潆娮討B(tài)引起的各種聲、光、電、熱效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究。

　　這4個研究環(huán)節(jié)形成拓?fù)湮飸B(tài)基礎(chǔ)研究的完整過程。在深刻理解了拓?fù)潆娮討B(tài)導(dǎo)致的各種物性以后，開展各種以應(yīng)用為導(dǎo)向的量子器件研究。

　　縱觀拓?fù)湮飸B(tài)研究的各個重大突破，量子自旋霍爾效應(yīng)、三維拓?fù)浣^緣體、量子反?；魻栃?yīng)和拓?fù)浒虢饘俣冀?jīng)過了上述4個環(huán)節(jié)，符合這種新的研究范式。

　　相比凝聚態(tài)物理研究主要是依靠實(shí)驗(yàn)中偶發(fā)性突破的舊模式，這種新的研究模式更為高效。如何強(qiáng)化和發(fā)展這種研究范式，推廣到其他領(lǐng)域，是今后需要考慮的問題。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云