中国科大团队首次观测到临界拓扑

中安在线客户端讯 常压下水到0℃会结冰，这就是我们熟悉的相变，0℃即是相变的临界点。在过去很长一段时间里，物理学家普遍认为：拓扑这种奇妙的物理特性，只能存在于“有能隙”的物质当中；到了相变临界点，能隙消失，拓扑效应也就不复存在，人们通常认为这二者“水火不容”。

　　最近，中国科学技术大学蒋建华教授团队联合香港大学、东方理工大学、苏州大学等单位的科研人员，在拓扑量子物理领域实现从零到一的重大突破：利用声子晶体平台，第一次实实在在地观测到了无能隙临界拓扑态，证实了即便在没有能隙的相变临界点，物质依旧可以拥有拓扑特性，改写了人们对拓扑物态的传统认知，相关成果发表于《Nature》期刊上。

　　拓扑物理曾斩获1985、1998、2016年诺贝尔物理学奖，它描述了物质中电子量子波函数的“整体形态”的独特性质。通俗来讲，传统的拓扑物质有一道“能隙”作为基础保障，就像堤坝拦住水流，依靠这道屏障，才能维持住内部绝缘、边缘特殊传导的奇异拓扑现象。而到了相变临界点，堤坝消失，能隙关闭，拓扑物理将面临一些本质性的挑战。主流的观点通常认为，一旦失去这道屏障的保护，拓扑效应便无法稳定存在。

　　尽管有理论物理学家提出大胆猜想：世界上或许存在一类特殊的“临界拓扑态”——即便没有能隙，也可以拥有拓扑属性，但这仅仅停留在理论层面上。因为如果没有能隙，过去所有常规实验手段，都没有办法捕捉、测量这种特殊的拓扑物态，这个猜想因此长期游离在主流物理研究之外，仅仅存在于理论模型中。

　　想要看见看不见的临界拓扑，就需要全新的探测工具。研究团队运用自主发展的独特声子测量手段，绕开“能隙”的限制，借助纠缠熵、纠缠谱这一套特殊的观测方法。打个比方，我们没法直接看清黑暗房间里物体轮廓，但可以通过物体投下的影子反推它的模样；纠缠谱就相当于这套“影子探测工具”，不受有没有能隙的约束，成为刻画临界拓扑态的关键工具，让科研人员得以把临界点上的拓扑信号抓取出来，完成了对该拓扑物态完整的实验表征，从而首次明确地证实了临界拓扑态的存在。本项研究还发现了由拓扑效应引发的多临界现象，加深了人们对物质相变、临界现象的理解。

　　另外，在此之前，相关理论研究大多局限在一维体系。本次研究中，蒋建华团队通过巧妙设计拓扑声子晶体，成功把临界拓扑态拓展到二维系统，并完成了直接实验观测。

　　很多人可能会问：同样是没有能隙，这次发现的临界拓扑态，和大家所知道的拓扑半金属有什么不一样？蒋建华解释道，半金属的拓扑性质，依旧需要依托有能隙的子空间才能成立；而本次发现的临界拓扑，证明拓扑物理完全可以诞生在彻底无能隙的量子态空间之中。

　　这项基础研究也刷新了对量子相变的理解：量子相变发生的临界点本身，就可以携带拓扑属性，未来我们甚至可以用拓扑指标，给不同的量子临界点做分类，拓展了相变理论的边界。另外，从材料科学的角度看，临界拓扑可以产生一类连续谱里的拓扑局域态，在声学、光学器件研发方面拥有潜在的应用前景。（记者 汪乔）