专题 | 拓扑物理前沿与应用

从凝聚态物理中的电子到经典物理系统中的光波和声波，按意愿对粒子和波的传输进行调控，一直是人们孜孜不倦探索和追寻的目标，其导致了现代半导体和光电子、电声等信息产业的诞生和蓬勃发展。然而在传统材料中，由于存在着难以避免的缺陷和杂质，以及由于加工制造过程引入的粗糙度等，使得粒子与波在传输过程中产生大量的散射和损耗，从而引入了大量的噪声和提高了功耗，极大地制约了相关技术的应用与发展。因而，如何减小粒子和波在传输过程中（特别是长程传输过程中）的散射和损耗成为当前相关信息领域研究的一项重大挑战。

全新的材料也带来了新的研究问题。尽管钙钛矿材料的光电性能优异、进展迅速，人们发现这类材料目前并不是完美的。钙钛矿材料的稳定性问题给领域内研究者带来了新的挑战；铅元素毒性问题的解决也依赖于研究者在非铅钙钛矿领域的突破；蓝光钙钛矿LED 较差的性能也给实现全彩钙钛矿显示的愿景蒙上了阴影。此外，钙钛矿中的多种物理机制目前仍不明确，处于激烈的争论当中。种种问题都有待于领域内研究者的充分探讨。

拓扑材料的出现，则为克服这一挑战提供了巨大的机遇。从上世纪八十年代开始，在凝聚态领域中，人们发现一类新奇的物质相变过程， 诸如KT 相变和量子霍尔效应，其并不满足刻画经典相变现象的对称性自发破缺理论，甚至没有局域的序参量。事实证明，这些特殊的物质相变可以从量子态的拓扑结构出发去解释。对这类相变的研究和探索，促使了拓扑物理和拓扑材料的诞生和发展。拓扑物理作为凝聚态领域一个新兴的研究方向，其不仅在理论上具有诸如体边对应关系，维度层级现象和手征反常等深刻的物理内涵，而且存在着受拓扑保护的、无损耗和能够克服缺陷散射的边界传播态以及新奇的体输运现象。这些新的物理效应，为人们设计和实现突破传统技术极限的颠覆性材料打下了深刻的科学基础，从而在光、声、电等领域有着重大应用前景。在电子材料方面，具有带隙的拓扑绝缘体能够实现对缺陷免疫的电荷和自旋流；而拓扑超导体中存在的受拓扑保护的马约拉纳零能模式则是实现拓扑量子计算的基础。在光子晶体、声子晶体等人工带隙材料中，拓扑物理也促使了诸如单向传播光、声波导，自旋选择的能量分束器，光、声隔离器，拓扑激光，拓扑路由器等新型器件的设计和发明。相比于电子材料，人工带隙材料由于其能带结构不受费米能级的约束，加之其灵活多变的结构可调可控性、高精度的材料加工工艺以及宏观精细测量的优越性等，从而成为实验观测和实际应用拓扑物理的理想平台，吸引着人们的广泛关注。

当前，在拓扑物理领域的研究中，国际竞争异常激烈，国内学者也在其中占据一席之地。为了帮助读者们迅速和系统地了解这一领域的前沿发展，《物理学报》组织了这期有关拓扑物理前沿与应用的专题，邀请了部分国内活跃在这一领域的专家学者，从电子材料、光子晶体、声子晶体、等离激元、电路系统等材料平台到理论、实验和测量手段等诸多方面，以不同的视角介绍这一领域的研究现状、前沿进展、关键问题和未来展望。希望本专题的文章能够为国内拓扑物理领域研究的学术交流做一些微薄的贡献，进一步促进该研究领域的发展。

电路中的拓扑态

Topological states in electric circuit

罗开发, 余睿

物理学报. 2019, 68 (22): 220305

基于蜂窝晶格声子晶体的双频带声拓扑绝缘体

Dual-band acoustic topological insulator based on honeycomb lattice sonic crystal

贾鼎, 葛勇, 袁寿其, 孙宏祥

物理学报. 2019, 68 (22): 224301

拓扑半金属ZrSiSe器件中面内霍尔效应的观测

Observation of planar Hall effect in topological semimetal ZrSiSe device

韦博元, 步海军, 张帅, 宋凤麒

物理学报. 2019, 68 (22): 227203

手性声子晶体中拓扑声传输

Topological acoustic transports in chiral sonic crystals

耿治国, 彭玉桂, 沈亚西, 赵德刚, 祝雪丰

物理学报. 2019, 68 (22): 227802

基于紧束缚模型的拓扑物理微波实验验证平台的开发

Microwave experimental platform to demonstrate topology physics based on tight-binding model

梅宇涵, 邵越, 杭志宏

物理学报. 2019, 68 (22): 227803

声子晶体中的表面声波赝自旋模式和拓扑保护声传输

Pseudospin modes of surface acoustic wave and topologically protected sound transmission in phononic crystal

王一鹤, 张志旺, 程营, 刘晓峻

物理学报. 2019, 68 (22): 227805

声子系统中弹性波与热输运的拓扑与非互易现象

Topological and non-reciprocal phenomena in elastic waves and heat transport of phononic systems

王子, 张丹妹, 任捷

物理学报. 2019, 68 (22): 220302

石墨烯莫尔超晶格体系的拓扑性质及光学研究进展

Topological properties of graphene moiré superlattice systems and recent optical studies

吕新宇, 李志强

物理学报. 2019, 68 (22): 220303

淬火动力学中的拓扑不变量

Topological invariant in quench dynamics

杨超, 陈澍

物理学报. 2019, 68 (22): 220304

拓扑表面等离激元

Topological surface plasmon polaritons

耿逸飞, 王铸宁, 马耀光, 高飞

物理学报. 2019, 68 (22): 224101

拓扑光子学研究进展

Research progress of topological photonics

王洪飞, 解碧野, 詹鹏, 卢明辉, 陈延峰

物理学报. 2019, 68 (22): 224206

高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体简介

Higher-order topological insulators and superconductors

严忠波

物理学报. 2019, 68 (22): 226101

二维拓扑绝缘体的扫描隧道显微镜研究

Scanning tunneling microscopy study on two-dimensional topological insulators

张志模, 张文号, 付英双

物理学报. 2019, 68 (22): 226801

拓扑节线与节面金属的研究进展

Progress on topological nodal line and nodal surface

王珊珊, 吴维康, 杨声远

物理学报. 2019, 68 (22): 227101

拓扑半金属材料角分辨光电子能谱研究进展

Progress of ARPES study on topological semimetals

邓韬, 杨海峰, 张敬, 李一苇, 杨乐仙, 柳仲楷, 陈宇林

物理学报. 2019, 68 (22): 227102

拓扑绝缘体中的超快电荷自旋动力学

Ultrafast charge and spin dynamics on topological insulators

向天, 程亮, 齐静波

物理学报. 2019, 68 (22): 227202

拓扑材料等离激元谱学研究

Spectroscopic studies of plasmons in topological materials

王冲, 邢巧霞, 谢元钢, 晏湖根

物理学报. 2019, 68 (22): 227801

拓扑半金属的红外光谱研究

Optical properties of topological semimetals

许兵, 邱子阳, 杨润, 戴耀民, 邱祥冈

物理学报. 2019, 68 (22): 227804

强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展

Angle resolved photoemission spectroscopy studies on three dimensional strong topological insulators and magnetic topological insulators

刘畅, 刘祥瑞

物理学报. 2019, 68 (22): 227901

专题文章全文链接

http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/volumn/volumn_2017.shtml

文章来源：物理学报