南大科學(xué)家開辟拓?fù)湮飸B(tài)研究新路徑：提出外爾半金屬概念，建成拓?fù)洳牧稀皩殠臁?
來源： 紫牛新聞
2026-07-08 15:12:00
你是否想過，我們手機(jī)、電腦里的芯片，未來可能不再依賴傳統(tǒng)半導(dǎo)體？一場(chǎng)源自凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的變革，正在為下一代量子信息和電子技術(shù)繪制藍(lán)圖。7月8日，南京大學(xué)萬賢綱教授、唐峰教授、南京理工大學(xué)闞二軍教授、杜永平副教授以及華東師范大學(xué)段純剛教授等人憑借“拓?fù)浒虢饘倮碚摵屯負(fù)洳牧嫌?jì)算預(yù)測(cè)”成果，在該領(lǐng)域作出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，獲得2025年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
打破傳統(tǒng)認(rèn)知：金屬也能有“拓?fù)洹?/strong>
過去幾十年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一類被稱為“拓?fù)湮飸B(tài)”的奇特量子狀態(tài)，相關(guān)研究已斬獲三次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，這種奇特性質(zhì)只存在于絕緣體材料中，而金屬由于本身導(dǎo)電，被認(rèn)為與之無緣。
萬賢綱和合作者卻在2011年提出了一個(gè)大膽設(shè)想：在一種含有銥元素的復(fù)雜氧化物材料中，由于同時(shí)存在強(qiáng)自旋軌道耦合和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，這或許會(huì)產(chǎn)生意料之外的拓?fù)湮飸B(tài)。經(jīng)過系統(tǒng)的理論計(jì)算和模型分析，他們發(fā)現(xiàn)這種材料的電子行為，竟可用高能物理中的“外爾費(fèi)米子方程”來描述。2011年，他們正式將這一全新量子物態(tài)命名為“外爾半金屬”——首次提出該概念。
這項(xiàng)工作打破了拓?fù)湮飸B(tài)僅存在于絕緣體中的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了“拓?fù)浒虢饘佟边@一蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域。該論文被凝聚態(tài)物理專業(yè)期刊《物理評(píng)論B》評(píng)選為創(chuàng)刊50周年的“里程碑”論文，評(píng)語明確指出“提出了一種新的量子物態(tài)”。截至目前，該成果已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者引用超過5600次，其中包括4位諾貝爾獎(jiǎng)得主、48位美國(guó)科學(xué)院院士和38位中國(guó)科學(xué)院院士的引用。這一概念還被拓展到光學(xué)、聲學(xué)、冷原子等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，引發(fā)了國(guó)際持續(xù)研究熱潮。
建立“地圖”：讓尋找拓?fù)洳牧喜辉俅蠛漆?/strong>
發(fā)現(xiàn)新物態(tài)只是第一步，找到真正能用的材料同樣關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法判定材料拓?fù)湫再|(zhì)，需涉及復(fù)雜的計(jì)算和波函數(shù)“規(guī)范選取”難題，效率低下，導(dǎo)致人們?cè)L(zhǎng)期認(rèn)為拓?fù)洳牧戏浅Ｏ∩佟?/p>
萬賢綱團(tuán)隊(duì)從對(duì)稱性這一基本物理性質(zhì)出發(fā)，發(fā)展了一套全新的高效判定方法，成功規(guī)避了以往的計(jì)算瓶頸。利用這一方法，他們對(duì)已知非磁晶體材料進(jìn)行了系統(tǒng)“篩查”，最終預(yù)測(cè)出超過一萬種拓?fù)洳牧?，并建立了免費(fèi)開放的拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫（ccmp.nju.edu.cn），供全球科學(xué)家使用。
這項(xiàng)成果被學(xué)界評(píng)價(jià)為“拓?fù)洳牧系膶殠臁?，有美?guó)科學(xué)院院士指出，這一工作“結(jié)束了逐個(gè)材料判斷拓?fù)鋵傩缘臅r(shí)代”，為量子材料分類“帶來一場(chǎng)革命”。2019年，該成果與中國(guó)科學(xué)院物理研究所的平行工作一起入選“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”。
從基礎(chǔ)突破到未來應(yīng)用
盡管拓?fù)洳牧暇嚯x日常生活還有一段距離，但它們的特殊電子態(tài)具有高度穩(wěn)定、低能耗等特性，有望在未來被用于制造更高效、更穩(wěn)定的電子器件和量子計(jì)算元件。這項(xiàng)基礎(chǔ)研究的突破，好比為未來技術(shù)儲(chǔ)備了核心“原料”和一張?jiān)敿?xì)的“藏寶圖”。
項(xiàng)目第一完成人萬賢綱教授也因相關(guān)貢獻(xiàn)，先后獲得了崔琦物理學(xué)獎(jiǎng)、葉企孫物理獎(jiǎng)、首屆科學(xué)探索獎(jiǎng)，以及新基石研究員項(xiàng)目的資助；并入選了美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士。
揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞?dòng)浾? 楊甜子
校對(duì) 陶善工