南京大学物理学院教授万贤纲

拓扑物态，一个曾三次斩获诺贝尔物理学奖的前沿领域。2011年之前，全球学者都认为拓扑物态只存在于绝缘体材料中，直到南京大学物理学院教授万贤纲和他的合作者，通过理论计算在一种磁性氧化物材料中预见了它的存在，并将其命名为“外尔半金属”。

这个成果引发长达10余年的国际研究热潮，相关论文被引用5600多次，其中包括4位诺贝尔奖得主、48位美国科学院院士和38位中国科学院院士的引用。7月8日，万贤纲团队的“拓扑半金属理论和拓扑材料计算预测”项目获得2025年度国家自然科学奖二等奖，但万贤纲谈及获奖，说得最多的是“运气”和“意外”。

万贤纲说，这篇首次提出“外尔半金属”概念的论文，只是“发在一个凝聚态物理专业期刊，而不是Nature、Science这些顶刊”上。跟一般热点研究不同，这是一个“非主流”的发现。

此前很多年，学界约定俗成地认为，拓扑是绝缘体的“专利”。金属导电，与拓扑所需的能隙结构天然矛盾。那么，拓扑物态能不能存在于金属中？

万贤纲说，自己最初也认为不能，当时他研究的是烧绿石结构的铱氧化物，一类同时具备强自旋轨道耦合和电子关联效应的磁阻挫材料。他好奇的是，这几种效应如果共存，会不会催生出全新的量子物态？他被这个问题吸引住了。

从2009年开始，他几乎放下所有其他课题。作为理论物理学家，他没有实验室，每天就是坐在电脑前，反复推演和计算。近两年时间里，他没有预设目标，只是顺着研究结果往前走，直到结果出来——他通过理论计算预言，这种复杂磁结构的铱氧化物，可能正是粒子物理中“外尔费米子”在凝聚态材料中的对应物。万贤纲团队将这类材料命名为“外尔半金属”。

“完全是意外。一辈子遇不到几个意外。这也要感谢学校，南大物理不问‘你发了什么好文章’。”他说，如果没有这种不数论文的氛围，“大家一定会去追热点，也就不会有那个‘非主流’的发现了。”而这篇看似“非主流”的论文，后来被《物理评论B》评选为创刊50周年的“里程碑”论文。

发现新物态后，一个更实际的问题摆在面前：怎么找到更多这类材料？传统方法判定拓扑性质，需要处理复杂的数学计算和波函数“规范选取”难题。“过去人们怎么做？凭经验和物理直觉，怀疑哪个材料可能有拓扑性质，就一个一个去判断。”万贤纲说，“效率很低，所以此前大家都认为拓扑材料非常少。”

万贤纲换了个思路。从对称性这一基本物理性质出发，发展了一套新的高效判定方法，成功规避了以往的计算瓶颈。

如果说“外尔半金属”的发现带着运气的成分，那这套方法的形成靠的则是多年积累，是一个“必然”。万贤纲深耕这一方向，从空间群、磁空间群到自旋群，他精通于这些理论框架。

利用这套方法，万贤纲团队对所有已知非磁晶体材料进行系统“筛查”，发现近一半都具有拓扑性质，最终预测出10897种拓扑材料，并从中挑选出近千个最有可能被应用的体系，建立了免费开放的数据库，供全球科学家参考和研究。

这项成果2019年发表于国际顶尖学术期刊《自然》正刊，并入选“中国十大科技进展新闻”。中国科学院院士邢定钰评价说，过去找拓扑材料好比“用鱼钩钓鱼”，一个一个去试；而万贤纲团队的方法好比“用渔网捕捞”，拓扑材料基因库的建立，“将使未来的研究不必像以前那样大海捞针”。

有了拓扑材料库，拓扑材料研究从此进入全新的阶段。面对这样一项重大成果，万贤纲保持着一贯的谨慎：“我们做理论只能预言。至于它是不是‘好’的拓扑材料，那是另一回事，还要实验去验证。”

拓扑半金属在理论上很适合做存储器件，但当记者问起应用前景时，他坦率地说：“我还真不知道，因为那不是我的本行。”他说，发现材料之后的合成、制备、应用，需要化学家、材料学家、工程师参与。

万贤纲强调，基础研究靠的是长期积累，以及对物理世界的纯粹好奇。这趟始于好奇心的探索之旅，仍在继续。