诺奖材料，风光依旧！18篇Nature/Science告诉你这个诺奖材料有多火！

一、拓扑材料研究背景介绍

索利斯（David J.Thouless）、霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）和科斯特里兹（J. Michael Kosterlitz）因在拓扑相变和物质拓扑相方面取得的开创性工作，三人共同获得2016年诺贝尔物理学奖。近年来，拓扑材料的研究飞速发展。所谓拓扑，是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科，而拓扑材料具有在面对剧烈的温度变化或结构变化亦能保持其电性能的性质，同时可能会促使从电子产品到量子计算机和新型超导体的发展，为此无数科学家付出了超出寻常的努力。下面我们列举了2018年以来，Science和Nature杂志上拓扑材料研究有关的部分代表性成果，一起交流探讨。

二、Nature/Science关于拓扑材料领域文章介绍

1、Nature: 基于Cd₃As₂中Weyl轨道的量子霍尔效应！

复旦大学修发贤团队报告了基于Weyl轨道的新型量子霍尔效应在Dirac半金属Cd₃As₂纳米结构中的实现。通过使用楔形样品，表明量子霍尔电阻受到厚度（几纳米）微小变化的强烈调制。量子霍尔电阻的角依赖性进一步揭示了Landau能级与Weyl结对的k-空间分离之间的联系。这些特征突出了Cd₃As₂纳米结构中量子霍尔效应的Weyl轨道性质，开辟了在三维系统中创建量子霍尔态的新途径。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0798-3

2、Nature: ZrTe₅中的三维量子霍尔效应和金属-绝缘体跃迁！

南方科技大学张立源研究组、中国科学技术大学乔振华研究组与国外研究团队密切合作，在三维电子气体系里也实现了量子霍尔效应。研究人员展示了一个交互驱动的三维量子霍尔效应(3D QHE)。在这里，相互作用的影响被几个因素增强了。一种是Landau量子化，它有效地降低了电子系统的维数。第二，由于低载流子密度，可以实现完美的费米面嵌套，因此很容易达到极端量子极限。第三个是结构各向异性，这导致沿z方向的色散相对较小（但系统仍然是三维的，而不是准二维的）。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9

3、Nature: 高质量拓扑材料的完整目录

普林斯顿大学/中科院物理研究所Wang Zhijun及普林斯顿大学B. Andrei Bernevig提出了一个大名单（强）拓扑（非磁性）“高质量”材料的性质，以及他们的结构，波段和拓扑性质的广泛信息。这项工作由几个研究模块组成，每个模块对于发现具有强而脆弱拓扑结构的材料至关重要。考虑到已经证明超过四分之一的材料是拓扑的，研究人员可以保证在ICSD数据库中找到许多其它的材料。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0954-4

4、Nature: 拓扑电子材料目录

中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心的翁红明副研究员以及方辰研究员等人设计了一种快速诊断非磁性材料中非平凡拓扑结构的算法，而只使用布里渊区高对称点的对称数据作为输入源。研究人员已将该算法应用于材料项目和ICSD中注册的所有材料。与人们普遍认为的非平凡拓扑是奇异的和稀缺的不同，研究人员发现超过30%（26688中的8056）的材料是拓扑的。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0944-6

5、Nature: 使用对称指标全面搜索拓扑材料

南京大学物理学院万贤纲教授的科研团队及其合作者基于GGA方法和mBJ方法预测了材料的拓扑性质。在讨论了几种有代表性的拓扑材料的同时，还列出了使用GGA方法发现的所有其它近乎理想的候选拓扑材料。研究人员进一步从这些潜在的拓扑材料中提取了9.9%的近似理想的候选拓扑材料，与传统的拓扑材料相比，它们显示了很大的结构和化学变化。研究人员指出开发系统且经济有效的方法来探索材料的拓扑性质将是一个有趣的未来方向。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0937-5

6、Nature: 石墨烯纳米带的拓扑带工程

美国加州大学伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授证明通过仔细设计自下而上合成中使用的分子前驱体，可以合理地设计局部和全局GNR电子拓扑。这种方法能够确定地设计GNR体和GNR/真空终止区的拓扑界面状态。拓扑界面态的超晶格允许形成新的体前沿带（OTB和UTB）。原则上，这些拓扑诱导带的性质可以通过超晶格组分的拓扑守恒修改来微调，从而在每个内部7/9-AGNR界面处产生具有稳健自旋中心的有效反铁磁海森堡自旋1/2链。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0376-8

7、Nature: 石墨烯纳米带中稳健的拓扑量子相的工程

上海交通大学王世勇特别研究员与瑞士材料联邦科学与技术实验室Roman课题组、德国马普所Klaus Mullen课题组等提出一种基于原子精确石墨烯纳米带的灵活策略，以设计具有SSH描述的价电子结构的坚固纳米材料。研究人员展示了石墨烯纳米带与扶手椅边缘的交界处拓扑边界态的受控周期性耦合，以创建准一维平凡和非平凡的电子量子相。这种策略有可能将拓扑电子带的带宽调整到接近感应自旋轨道耦合或超导性的能级。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0375-9

8、Nature: 平面Josephson结中的拓扑超导证据

丹麦哥本哈根大学Fabrizio Nichele团队和Charles M. Marcus团队研究了二维InAs/Al异质结构JJ图形边缘隧道电导的相位相关ZBPs。ZBP出现的临界场取决于相位偏差，并且在ɕ≈π处最小。研究人员研究了ZBP稳定性随场B _{| |}，相ɕ和化学势μ的变化，得到了与有限尺寸结的拓扑相图定性一致的结果。结合其自顶向下的制造方法，拓扑通道的相位调谐无需仔细的栅极调谐，将大大简化实现拓扑保护量子器件所需的复杂网络几何结构的实现。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1068-8#article-info

9、Nature: 相控Josephson结中的拓扑超导

哈佛大学Amir Yacoby团队设计并实现了一个可控制的二维拓扑超导平台。这个平台是基于最近的一个平面约瑟夫森结的理论建议，这个平面约瑟夫森结是由二维电子气体（2D EG）在两个铝超导导线中间受强Rashba自旋-轨道相互作用而形成的。在这个系统中，平凡超导电性和拓扑超导电性之间的相变可以用两个独立的旋钮来调节：穿过结的相位差φ和塞曼能量EZ，它由施加在结平面上的外部磁场控制。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1148-9

10、Nature: 三维光子拓扑绝缘体的实现

浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学Baile Zhang教授、Yidong Chong教授课题组证明了三维拓扑绝缘体的经典光子模拟。三维拓扑光子带隙的实现为各种拓扑光子器件打开了大门，同时也为研究2D以外的拓扑量子光学提供了机会。目前3D SRR制造的进展表明，在太赫兹和红外波段工作的频率是可行的。基于全介质超材料的实现可允许在光学区域中使用3D光子拓扑绝缘体。研究人员在这里主要研究电磁波的光子晶体，但是类似的晶格设计也可以应用于其他的玻色子系统，例如声学和机械结构。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0829-0

11、Nature: 一维碘化铋的弱拓扑绝缘体状态

东京大学Takeshi Kondo和东京工业大学T. Sasagawa等人提供了碘化铋β-Bi₄I₄中拓扑绝缘体（WTI）可能有几个不同的科学和技术影响。考虑到这种迷人的状态被视为QSH绝缘体的3D模拟，并且可以在3D晶体的宽侧表面上产生高度定向的自旋电流，该发现将刺激对奇异量子现象的进一步深入研究。特别地，通过选择拓扑或非拓扑的晶相，可以在室温左右控制鲁棒自旋电流的出现。因此，研究人员的实验观察可能会引发对QSH绝缘体的3D类似物的基础和技术研究，也许会导致新的电子和自旋电子学技术。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0927-7#auth-22

12、Nature: 量子霍尔山谷系统中相互作用的多通道拓扑边界模式

普林斯顿大学Ali Yazdani等人研究了谷极化QHFM态可以在多种材料中实现，不仅为研究不同类型的Luttinger液体提供了机会，而且也为探索它们之间的连接方式提供了机会。这些二维系统自然地适合于STM研究，类似于这里所进行的那些研究，它们既能可视化电子畴壁，又能探测其相关边界模的特性。此外，Bi（111）空穴态为所有三个向列相取向的畴结构提供了一个有趣的机会。最后，在向列相QHFMs中应用原位应变来控制畴壁的位置，打开了畴壁动力学成像的可能性，并使这些边界模式更易于其他测量，包括传输研究。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0913-0#article-info

13、Nature: 调控量子材料新突破

美国普林斯顿大学Hasan课题组殷嘉鑫等与中国科学院物理研究所王文洪团队，波士顿学院汪自强团队等团队揭示了Fe₃Sn₂中基于矢量场的能量转移和破缺对称性之间的对应关系，这证明了旋转轨道kagome磁体中异常大且各向异性的磁可调谐性，并指向一个潜在的相关磁拓扑基态。这项工作的新颖之处在于它的自旋轨道可调性和戈美材料的巨大响应。研究人员通过控制矢量场操纵对电子激发的空间动量探索是探索弱相互作用Z₂拓扑绝缘体以外的拓扑物质物理的有力工具。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0502-7 

14、Science: 单层拓扑绝缘体中门控电压诱导的超导性

加拿大英属哥伦比亚大学Joshua A.Folk团队发现在单层WTe₂中，从2D拓扑绝缘体到超导状态的相变发生在如此低的载流子密度下，以致于很容易被简单的静电门诱导。这一发现可能导致可连接的超导电路，并提供了在单一材料中开发拓扑超导器件的潜力，而不是目前所需的混合结构。同时，研究人员推测掺杂使单层WTe₂中的平衡有利于超导电性，远离竞争性的绝缘电子有序。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/362/6417/922 

15、Science: 单层拓扑绝缘体中的电可调式低密度超导

美国麻省理工学院PabloJarillo-Herrero和Sanfeng Wu团队等报道了由电场效应引起的单层拓扑绝缘体WTe₂的本征超导电性。这种单层过渡金属二羟基化合物最近被建立为量子自旋霍尔绝缘体，具有高达100开尔文的强边输运。实验结果指向一个令人兴奋的可能性，创建一个2D晶体为基础的拓扑超导体使用邻近效应。此外，范德瓦尔斯异质结构可以用来研究超导电性、磁性和拓扑学之间的相互作用，这种异质结构将单层WTe₂与最近发现的二维层状铁磁体等材料结合起来。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/362/6417/926

16、Science: 观察到无序原子线中安德森拓扑绝缘体

伊利诺伊大学香槟分校Taylor L.Hughes、Bryce Gadway和巴塞罗那科技学院 PietroMassignan团队通过对超冷原子的离散量子态之间的多个跃迁同时进行相干控制，设计出具有精确可控无序的一维手性对称线来实现无序驱动的拓扑相-拓扑安德森绝缘体（TAI）。该发现将使未来研究无序拓扑系统的量子临界性成为可能。结合隧道相和人工规范场的设计能力，本文的技术可以扩展到无序量子霍尔系统的研究。虽然该文目前的研究局限于相互作用相对不重要的领域，但是在合成动量空间晶格中存在的强相互作用将有助于未来对强相互作用拓扑流体的研究。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/362/6417/929

17、Science: 分子石墨烯拓扑工程的量子单位

牛津大学Lapo Bogani团队证明了拓扑剪裁优异性能，其可在分子石墨烯纳米结构中带来出色的量子性能。研究人员从实验上证实了碳基纳米结构具有优越量子性能的可能性。在导电纳米结构（如纳米带和石墨烯片）中加入化学物质，或将多个分子融合成双量子点和多量子点，为在下一代光电、电和生物活性系统中使用量子效应开辟了道路。同时提供了一个合理的合成途径，为石墨烯量子单元添加任何期望的功能，为量子纳米材料的光学和磁性开辟了前所未有的多种选择。

文献链接：

https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1107

18、Nature: 变形超材料的多步自导路径

荷兰莱顿大学Corentin Coulais等人证明了基于屈曲和自接触的机械开关修饰的层次结构经历了对缺陷鲁棒的自导向拓扑重构。实验的设计是纯几何的，因此可以应用于一系列的规模化；同时它们也是被动的，减轻了外部控制的需要。研究人员希望他们的方法能够提高可重构材料、软机器人、折纸超材料和可拉伸电子产品的潜力。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0541-0

本文由eric供稿。

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