Nature主刊！南京大学和中科院物理所同日发论文：大数据搜寻拓扑绝缘体！

北京时间2月28日，Nature主刊上线了来自南京大学和中科院物理所独立、同时的工作发现，两篇Nature均从上万种材料中通过算法进行自动搜寻，预测了上千种可能的新型拓扑绝缘材料。值得一提的是，这两篇论文的作者均出自南大系，一位是南京大学教授万贤纲，一位是南京大学校友翁红明。
 
近年来，拓扑量子态是物理学、材料科学领域的前沿热点课题。量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、Dirac半金属、Weyl半金属、nodal line半金属、镜面陈绝缘体、Hourglass费米子、Higher-order拓扑绝缘体，各种新的相层出不穷。这些拓扑材料具有普通材料所没有的独特物性，例如拓扑保护边界态、手征反常、费米弧等，在电子、信息和半导体技术等诸多方面有很大的应用潜力。
 
此前，人们主要是通过直接计算拓扑不变量去找寻各种拓扑相，这种方法效率较低，所以目前人们知道的拓扑材料数目还很有限。因此发展出新的理论方法，从而系统地找到理想的，有实用价值的拓扑材料体系有着重要的科学价值和广阔的应用前景。

南大科研团队“渔网式搜索”揭秘近万种拓扑材料获Nature发布

28日，南京大学物理学院万贤纲团队对拓扑材料的突破性搜索成果，以“Comprehensivesearchfortopologicalmaterialsusingsymmetryindicators”(利用对称性指标进行拓扑材料全面搜索)为题发表于国际顶尖学术期刊《自然》(《Nature》)正刊，受到全球学界关注。

使用对称性指标搜索拓扑材料的算法流程图。
　　

在已知的浩瀚如星河的各类材料库中，从过去的“一种鱼竿”钓出一种拓扑材料，到如今的“一张渔网”一网打尽，为人类对拓扑材料“黑洞”的了解又近了一步。近日，南京大学物理学院万贤纲教授的科研团队及其合作者，系统地大规模搜索了整个材料数据库，获得了大量拓扑材料线索，并以此为基础设立了拓扑材料基因库。

该论文万贤纲为通讯作者，南京大学物理学院、南京微结构国家实验室的博士研究生唐峰为第一作者，合作作者为美国哈佛大学AshvinVishwanath教授和他的博士生HoiChunPo。

万贤纲(右)与团队成员在一起。
　　

“研究人员首次系统地搜寻了整个材料数据库，以寻找具有拓扑状态的材料——这些奇异的物质相已经吸引了物理学家十年。由此发现的大量拓扑材料能使科学家更接近于这些奇异相的实际应用，这可能引发电子学等领域的革命。”Nature期刊早在2018年8月8日就以“Troveofexoticmatterthrillsphysicists”(新颖材料的宝库使物理学家兴奋不已)为题，提前对南京大学的这项成果，以及其它二项相关工作做了关注。

近年来，拓扑量子态是物理学和材料科学领域的前沿热点课题。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们发现物质拓扑相以及在拓扑相变方面作出的理论贡献。随着不断有新的拓扑相出现，如量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、Weyl半金属、Dirac半金属、Hourglass费米子、Nodalline半金属、Highorder拓扑绝缘体等，人们发现，拓扑材料具有常规材料所没有的奇特物性，在电子、信息和半导体技术等诸多方面有很大的应用潜力。

但对于这类奇特的拓扑材料，目前科学家主要是通过计算拓扑不变量寻找各种拓扑相，这种方法效率较低，所以已知的拓扑材料数目十分有限。因而，发展新的理论方法，高效寻找理想的、有实用价值的拓扑材料体系有着重要的科学价值和广阔的应用前景。

此次，万贤纲团队在搜索拓扑材料领域实现的突破：是基于对称指标理论，发展了一套新的高效寻找拓扑材料的理论方法。

据万贤纲介绍，具体来说，就是发展了一套非常高效的预测拓扑材料的方案：主体是基于第一性原理电子结构的自洽结果来计算布里渊区高对称点电子布洛赫本征态的对称性性质，通过计算在所谓的“原子绝缘体基组”上的展开系数，判断材料是否是一个原子绝缘体，如果不是，又是如何偏离原子绝缘体(拓扑绝缘体，拓扑晶体绝缘体，拓扑半金属三类)。

利用对称性指标(symmetry indicator)编织的渔网将晶体库 (图中的大海)中的拓扑材料(图中“拓扑”的鱼)一网打尽。

教育部“人工微结构科学与技术协同创新中心”主任邢定钰院士认为，“这样高效的方案，很适合对晶体库进行地毯式搜索，从而得到拓扑材料基因库。”

据介绍，根据这一高效寻找拓扑材料的理论方法，万贤纲团队对所有非磁材料(见无机材料ICSD数据库)是否拓扑进行分类，发现近50%的材料都是拓扑材料。进而，他们把计算预言的10897种拓扑材料(含费米能级附近有能带交点的体系)的晶体结构信息及电子能带放在https://ccmp.nju.edu.cn/网站上，供同行参考与研究。同时，他们还挑选了近一千个费米面比较干净或者能带交点离费米面较近的体系，预言进一步的研究将很可能从中挖掘出适合实际应用的理想拓扑材料。

“拓扑材料基因库的逐渐形成，将给实验物理学家带来极大便利，未来的研究可以集中于基因库中的材料，而不像此前那样大海捞针。“邢定钰院士告诉记者，这一成果有望带来生机勃勃的后续实验或进一步理论探索。

万贤纲科研团队的研究工作得到了教育部“人工微结构科学与技术协同创新中心”、南京大学卓越研究计划、固体微结构物理国家重点实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。

在Nature同期发表的还有中科院物理所一个研究团队和普林斯顿大学一个研究团队的两个相关工作，显示了在拓扑新材料理论设计方面中国科研团队的优势地位。

中国科学家首次用新方法预测出大批拓扑材料

从中国科学院物理研究所获悉，该所一组科研团队开发出一种快速计算晶体材料的拓扑性质的新方法，并用此方法在近4万种材料中发现了8千余种拓扑材料，十几倍于过去十几年间人们找到的拓扑材料的总和，并据此建立了拓扑电子材料的在线数据库。成果于北京时间28日由国际权威学术期刊《自然》在线发表。

这一成果意义重大。它改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，将该方向的重点从“寻找新材料”推进到“研究新材料”。

拓扑量子材料被认为将在超低功耗电子元件的研究和量子信息等领域起到重要基础作用。因此，如何寻找更多的新拓扑材料也因此成为了国际凝聚态物理领域的重要问题。此前，物理所已进行了一系列探索，并在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔半金属等方面做出了重要贡献。

团队的通讯作者之一、中科院物理所的方辰研究员介绍，在实验中直接测量拓扑性质是困难的，因此首先用计算的方法预测材料的拓扑性质，就成为了寻找拓扑材料的重要的一环。然而，在过去的研究中，由于不变量的表达式十分繁难，这一计算往往需要深耕于该领域的专家耗费大量时间精力才能完成。“手动搜索”的局限性，使得人们难以预测绝大部分材料的拓扑性质。

物理所团队开发出了通过计算材料能带的对称性数据从而自动获得其拓扑不变量的一套完整的、快速的、可以全自动运行的计算流程。在经过该流程之后，任何一种非磁性晶体材料都将获得一个“拓扑标签”，写着它是否具有，以及具有哪些拓扑性质。

大批拓扑量子材料在理论上的发现，改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，并给未来的实验研究提供了很多线索和机会。

物理所成果由该所方辰研究员、翁红明研究员、方忠研究员等人与中国科学院计算机网络信息中心联合完成。

所谓“英雄所见略同”，另有两个研究小组，也于同一天同一刊物上发表了他们的独立研究成果。其中一个小组是来自美国的普林斯顿大学、西班牙巴斯克大学和德国马克斯-普朗克研究所的科学家，另一小组是来自南京大学和美国哈佛大学的科学家。他们两个小组的工作内容，同样是通过计算能带高对称点的对称性数据从而得到材料的拓扑性质，方法和物理所研究小组采用的方法一致，三个研究组得到的结果也彼此相洽、相互印证。