当前，拓扑物理学领域已成为基础物理研究的热点之一。近日，由苏州大学物理科学与技术学院教授蒋建华和南京大学电子科学与工程学院副教授蒲殷合作，通过理论计算、原型设计、实验表征相结合的方式，首次成功观测到拓扑材料中旋错结构导致的稳健光子局域态和分数电荷。相关论文发表在《自然》杂志上。

拓扑物理研究领域

发生深刻变化

“自从拓扑绝缘体被提出来之后，拓扑物理从概念到材料，经历了好几轮的‘革新’。”蒋建华说，过去几年来，该领域发生了深刻变化。“首先，大量的拓扑材料被发现。”以中科院物理所、美国普林斯顿大学等机构和大学为代表，在过去的研究中积累了大量的拓扑材料的实验和理论。其中，2019年中科院物理所翁红明研究员和方辰研究员、南京大学万贤纲教授、哈佛大学Vishwanath教授、普林斯顿大学Bernevig教授和王志俊博士等发展了系统的拓扑材料分类方法，并通过海量计算发现了非常多的具有拓扑性质的材料。拓扑材料的海量增加为各方面的物理、材料、应用的研究提供了基础。

“其次，拓扑物理从电子系统扩展到光子和声子等其他系统。”蒋建华说，这不仅大大地扩充了拓扑物理的内涵，而且为拓扑物理找到了新的实验验证系统，很多不能在电子系统做的实验验证可能在光子和声子系统得到验证，由此引发了很多拓扑物理的交叉，例如拓扑光子学、拓扑声子学。这些学科不仅有重要的基础物理内涵，还有很多新颖的应用场景。最新的研究表明，拓扑物理可以为激光等光学元器件提供通往更优越性能的技术道路，甚至有可能为光量子科技提供更理想的光学微腔系统。

蒋建华提到，更重要的是，人们开始广泛地意识到拓扑物理作为一种很普遍的范式在很多材料和科学问题中都有独特的价值。借助这个范式，在各种系统，包括相互作用电子系统，发现了很多有趣的非常规物理现象。这些新的发展为拓扑物理的继续开拓提供了美好的前景。

拓扑物理中实验和材料研究面临挑战

蒋建华认为，未来的拓扑材料研究可能会更加贴近实际可以应用的材料，包括磁性材料、光电子材料、微电子材料等重要的应用前景。越来越多的研究指向那些并不理想的拓扑晶体材料。“虽然这些材料可能没有完美的体-边对应关系，但是它们在实际的应用中有更大的前景。近几年在拓扑光子学领域的研究就证明了这一点。几乎所有有应用前景的拓扑光子晶体都是拓扑晶体材料。”

“过去十几年来，最成功的研究拓扑材料的方式之一就是探测拓扑材料的边界态，然后通过体-边对应关系反推出材料的拓扑性质。”蒋建华解释，自从量子霍尔效应发现以来，能谱的体-边对应关系被认为是拓扑材料（包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体）最显著的物理特征，然而，在非常多的拓扑晶体绝缘体和其他拓扑晶体材料中，体-边对应关系被破坏了（主要是因为界面的几何对称性降低了）。在这些材料中，就无法通过探测拓扑材料的边界态来反推出材料的拓扑性质。这些困难成为拓扑物理中实验和材料研究的一大挑战。

为了解决这个问题，人们提出了一系列新的物理性质来表征拓扑晶体材料，其中特别有用的是所谓的体-旋错对应关系。

旋错是晶体材料中自然形成、普遍存在的一种缺陷结构。表面附近的旋错可以通过显微镜找到。在体-旋错对应关系中，旋错可以诱导出分数电荷，且分数电荷的数值完全依赖于拓扑晶体材料的拓扑指标。由此，可以通过测量旋错诱导的分数电荷判断出材料的拓扑指标。除分数电荷之外，通常还会在旋错上发现拓扑诱导的局域态。

找到区分拓扑晶体材料“学号”的方法

蒋建华和蒲殷的合作研究中，利用了光子晶体构造的“光子拓扑晶体绝缘体”--即光子版本的拓扑晶体绝缘体，利用的是光子晶体中光子能带的拓扑性质。通过光子拓扑晶体绝缘体，可以相对容易地表征和测量体-旋错对应关系。

“我们的研究首次证明了可以通过体-旋错对应关系来有效地检测拓扑晶体材料的拓扑性质。”蒋建华介绍，通过体-旋错对应关系可以有效地检测和区分成千上万的拓扑晶体材料，并确定它们的拓扑指标。材料的拓扑指标就像学生的学号一样，可以直接读出材料的拓扑分类和拓扑物理性质。这是实验证实体-旋错对应关系的重大价值和意义。此外，研究还发现，利用旋错导致的光子局域态可以实现频率相当皮实、稳健的光学微腔，其性能要比普通的亚波长光学微腔要好很多。这样的亚波长微腔在应用上将会有重要的价值。

“拓扑晶体材料的探索和研究才刚刚开始，很多材料尚未被研究清楚。体-旋错对应关系的发现揭示了拓扑晶体材料的一些基本物理性质，为拓扑晶体材料研究打开了一扇新的大门。在可预见的未来，人们会越来越多地利用体-旋错对应关系去探索丰富多彩的拓扑晶体材料。体-旋错对应关系就像一个尖锐的探针，可以有效地探测拓扑晶体材料的本征性质。我们目前只是在光子系统中做到了这一点。而电子系统中的体-旋错对应关系的探测和表征尚未开始。”蒋建华说。