■本報(bào)見習(xí)記者 程唯珈 記者 甘曉

2018年年末，對中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱中科院物理所）研究員丁洪而言，好消息不止一個(gè)。在剛剛公布的中科院改革開放40年40項(xiàng)標(biāo)志性重大科技成果中，他所從事的拓?fù)湮飸B(tài)研究位列“面向世界科技前沿”15項(xiàng)之一。

與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室里，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在一種特殊的拓?fù)洳牧现邪l(fā)現(xiàn)了非常規(guī)的手性費(fèi)米子，通過摻雜可能實(shí)現(xiàn)三維拓?fù)涑瑢?dǎo)。

“近年來，我國拓?fù)湮飸B(tài)研究發(fā)展迅速，中國科學(xué)家的一系列發(fā)現(xiàn)解決了深層次的物理問題，讓我們不斷向制造低能耗器件邁進(jìn)。”站在改革開放40周年的新時(shí)代歷史方位中，丁洪為中國科學(xué)家這些年來取得的成就感到驕傲。

從絕緣體到半金屬

香港科技大學(xué)講座教授、中科院物理所原研究員戴希告訴《中國科學(xué)報(bào)》，在中科院工作12年來，拓?fù)湮飸B(tài)一直是他的中心課題。

拓?fù)湮飸B(tài)是由量子效應(yīng)導(dǎo)致的與拓?fù)湫再|(zhì)相聯(lián)系的新物態(tài)。對凝聚態(tài)物理學(xué)家而言，拓?fù)湮飸B(tài)是近十年來這一領(lǐng)域內(nèi)快速發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。制造低能耗的電子器件，是研究拓?fù)湮飸B(tài)最為現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。

2009年，Bi2Te3、Bi2Se3族等拓?fù)浣^緣體首先受到關(guān)注。中科院物理所研究人員理論預(yù)言在這些拓?fù)湮飸B(tài)中能夠?qū)崿F(xiàn)“量子反�；魻栃�應(yīng)”，即在這些材料中不用外加磁場就可以讓電子運(yùn)動(dòng)沒有能耗。

2011年中國科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了這項(xiàng)成果的研究群體。幾年后，這一理論方案得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

隨后，科學(xué)家不斷擴(kuò)大視野，將凝聚態(tài)中電子態(tài)的拓?fù)浞诸悘慕^緣體推廣到了半金屬。2012年至2014年，中科院物理所研究員方忠、戴希團(tuán)隊(duì)與多個(gè)實(shí)驗(yàn)組合作，理論預(yù)言并實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)狄拉克半金屬鉍化鈉和砷化鎘。

尋找固體宇宙中新粒子

在尋找新拓?fù)湮飸B(tài)的征途中，新粒子的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家收獲了諸多物理問題的解答。

丁洪用“固體宇宙”來形容他所研究的對象。“億萬個(gè)電子和原子核通過相互作用形成一種決定母體材料性質(zhì)的準(zhǔn)粒子，這些準(zhǔn)粒子與基本粒子可能遵循相同的物理規(guī)律。”丁洪向《中國科學(xué)報(bào)》表示，拓?fù)浒虢饘俚陌l(fā)現(xiàn)為尋找這些組成固體宇宙的拓?fù)錅?zhǔn)粒子提供了可能。

例如，狄拉克費(fèi)米子、外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子不僅可以以基本粒子的形式存在于宇宙中，也能以準(zhǔn)粒子的形式存在于固體材料的“宇宙”中，從而形成拓?fù)浒虢饘伲�如狄拉克半金屬和外爾半金屬�?/p>

圍繞外爾半金屬，2015年，根據(jù)中科院物理所翁紅明等研究人員的理論預(yù)言，該所陳根富小組制備出高質(zhì)量的大塊砷化鉭晶體，丁洪小組與合作者利用他們不久前在上海光源建成的“夢之線”角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)站對砷化鉭晶體進(jìn)行測量，首次觀測到外爾費(fèi)米子的特征性現(xiàn)象——表面費(fèi)米弧。

這也是英國物理學(xué)會(huì)《物理世界》“2015年十大突破”、美國物理學(xué)會(huì)《物理》“2015年八大亮點(diǎn)工作”、美國物理學(xué)會(huì)《物理評論》系列期刊誕生125周年紀(jì)念論文集收錄49項(xiàng)成就中唯一來自中國本土的工作……國際科學(xué)界對這項(xiàng)研究的贊譽(yù)接踵而至。

這一系列研究讓科研人員推測，基本粒子理論中沒有的新型費(fèi)米子可能存在于“固體宇宙”中。利用類似的實(shí)驗(yàn)手段，2017年丁洪團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)在一類具有碳化鎢晶體結(jié)構(gòu)的材料中存在三重簡并的電子態(tài)，為固體材料中電子拓?fù)鋺B(tài)研究開辟了新的方向。

最近，有關(guān)馬約拉納費(fèi)米子的研究陸續(xù)發(fā)表。丁洪團(tuán)隊(duì)與合作者首次用單種鐵基超導(dǎo)體證實(shí)了穩(wěn)定存在的拓?fù)涑瑢?dǎo)表面態(tài)。緊接著，丁洪團(tuán)隊(duì)與中科院物理所高鴻鈞團(tuán)隊(duì)合作，采用掃描隧道譜手段在該超導(dǎo)體中首次觀測到馬約拉納任意子。

“馬約拉納任意子可以看成是馬約拉納費(fèi)米子的一半，即一個(gè)量子比特可以一分為二，這就能有效地抵抗局域環(huán)境對量子比特的破壞，這對構(gòu)建穩(wěn)定的、高容錯(cuò)、可拓展的未來量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用具有重要意義。”丁洪介紹。

凝聚態(tài)物理的春天到來

回首改革開放40年來的發(fā)展，丁洪感慨，多年前，他們需要到國外的實(shí)驗(yàn)室去開展測量，距離前沿科研要求相差甚遠(yuǎn)。“今天，由中國科學(xué)家自主研發(fā)的大科學(xué)裝置上海光源的‘夢之線’在發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子與三重簡并費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)中立下了汗馬功勞。”在他看來，這得益于國家經(jīng)濟(jì)水平的提高，是科研“硬”環(huán)境的進(jìn)步。

戴希也表示：“20世紀(jì)90年代中后期，我們在理論方面接觸到的最新成果文獻(xiàn)，往往比國外慢了差不多半年。隨著如今資訊的發(fā)達(dá)，接觸到的最新進(jìn)展與成果都是跟國際前沿同步的。”

同時(shí)，在“軟”環(huán)境上，改革開放以來，國家出臺了多項(xiàng)鼓勵(lì)原始創(chuàng)新的政策，也讓科學(xué)家感到動(dòng)力十足。

此外，在戴�？磥�，我國在人才培養(yǎng)方面有著明顯的進(jìn)步。近些年，中科院各大研究所與國內(nèi)頂尖高校加強(qiáng)學(xué)術(shù)合作，培養(yǎng)了高校內(nèi)眾多優(yōu)秀的研究組，本土畢業(yè)的博士生的學(xué)術(shù)水平也能達(dá)到非常高的水準(zhǔn)。

“在國際交流方面，改革開放后大批中國科學(xué)家赴海外求學(xué)，國家也出臺了相應(yīng)政策支持他們學(xué)成歸國。”丁洪表示，“這一領(lǐng)域最好的老師已經(jīng)回國了。”當(dāng)年，一名曾拜師丁洪的研究生原本計(jì)劃出國留學(xué)，只因?yàn)檫@句話留在國內(nèi)完成博士階段學(xué)習(xí)。

在多位業(yè)內(nèi)專家看來，中國凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的春天已經(jīng)到來。