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諾獎材料，風光依舊！18篇Nature/Science告訴你這個諾獎材料有多火！

2020-02-17 13:14:30 作者：eric 來源：材料人分享至：

一、拓撲材料研究背景介紹

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索利斯（David J.Thouless）、霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）和科斯特里茲（J. Michael Kosterlitz）因在拓撲相變和物質拓撲相方面取得的開創性工作，三人共同獲得2016年諾貝爾物理學獎。近年來，拓撲材料的研究飛速發展。所謂拓撲，是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的一些性質的一個學科，而拓撲材料具有在面對劇烈的溫度變化或結構變化亦能保持其電性能的性質，同時可能會促使從電子產品到量子計算機和新型超導體的發展，為此無數科學家付出了超出尋常的努力。下面我們列舉了2018年以來，Science和Nature雜志上拓撲材料研究有關的部分代表性成果，一起交流探討。

二、Nature/Science關于拓撲材料領域文章介紹

1 Nature: 基于Cd3As2中Weyl軌道的量子霍爾效應！

復旦大學修發賢團隊報告了基于Weyl軌道的新型量子霍爾效應在Dirac半金屬Cd3As2納米結構中的實現。通過使用楔形樣品，表明量子霍爾電阻受到厚度（幾納米）微小變化的強烈調制。量子霍爾電阻的角依賴性進一步揭示了Landau能級與Weyl結對的k-空間分離之間的聯系。這些特征突出了Cd3As2納米結構中量子霍爾效應的Weyl軌道性質，開辟了在三維系統中創建量子霍爾態的新途徑。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0798-3

2 Nature: ZrTe5中的三維量子霍爾效應和金屬-絕緣體躍遷！

南方科技大學張立源研究組、中國科學技術大學喬振華研究組與國外研究團隊密切合作，在三維電子氣體系里也實現了量子霍爾效應。研究人員展示了一個交互驅動的三維量子霍爾效應(3D QHE)。在這里，相互作用的影響被幾個因素增強了。一種是Landau量子化，它有效地降低了電子系統的維數。第二，由于低載流子密度，可以實現完美的費米面嵌套，因此很容易達到極端量子極限。第三個是結構各向異性，這導致沿z方向的色散相對較小（但系統仍然是三維的，而不是準二維的）。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9

3 Nature: 高質量拓撲材料的完整目錄

普林斯頓大學/中科院物理研究所Wang Zhijun及普林斯頓大學B. Andrei Bernevig提出了一個大名單（強）拓撲（非磁性）“高質量”材料的性質，以及他們的結構，波段和拓撲性質的廣泛信息。這項工作由幾個研究模塊組成，每個模塊對于發現具有強而脆弱拓撲結構的材料至關重要。考慮到已經證明超過四分之一的材料是拓撲的，研究人員可以保證在ICSD數據庫中找到許多其它的材料。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0954-4

4 Nature: 拓撲電子材料目錄

中國科學院物理研究所北京凝聚態物理國家研究中心的翁紅明副研究員以及方辰研究員等人設計了一種快速診斷非磁性材料中非平凡拓撲結構的算法，而只使用布里淵區高對稱點的對稱數據作為輸入源。研究人員已將該算法應用于材料項目和ICSD中注冊的所有材料。與人們普遍認為的非平凡拓撲是奇異的和稀缺的不同，研究人員發現超過30%（26688中的8056）的材料是拓撲的。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-0944-6

5 Nature: 使用對稱指標全面搜索拓撲材料

南京大學物理學院萬賢綱教授的科研團隊及其合作者基于GGA方法和mBJ方法預測了材料的拓撲性質。在討論了幾種有代表性的拓撲材料的同時，還列出了使用GGA方法發現的所有其它近乎理想的候選拓撲材料。研究人員進一步從這些潛在的拓撲材料中提取了9.9%的近似理想的候選拓撲材料，與傳統的拓撲材料相比，它們顯示了很大的結構和化學變化。研究人員指出開發系統且經濟有效的方法來探索材料的拓撲性質將是一個有趣的未來方向。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-0937-5

6 Nature: 石墨烯納米帶的拓撲帶工程

美國加州大學伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授證明通過仔細設計自下而上合成中使用的分子前驅體，可以合理地設計局部和全局GNR電子拓撲。這種方法能夠確定地設計GNR體和GNR/真空終止區的拓撲界面狀態。拓撲界面態的超晶格允許形成新的體前沿帶（OTB和UTB）。原則上，這些拓撲誘導帶的性質可以通過超晶格組分的拓撲守恒修改來微調，從而在每個內部7/9-AGNR界面處產生具有穩健自旋中心的有效反鐵磁海森堡自旋1/2鏈。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0376-8

7 Nature: 石墨烯納米帶中穩健的拓撲量子相的工程

上海交通大學王世勇特別研究員與瑞士材料聯邦科學與技術實驗室Roman課題組、德國馬普所Klaus Mullen課題組等提出一種基于原子精確石墨烯納米帶的靈活策略，以設計具有SSH描述的價電子結構的堅固納米材料。研究人員展示了石墨烯納米帶與扶手椅邊緣的交界處拓撲邊界態的受控周期性耦合，以創建準一維平凡和非平凡的電子量子相。這種策略有可能將拓撲電子帶的帶寬調整到接近感應自旋軌道耦合或超導性的能級。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0375-9

8 Nature: 平面Josephson結中的拓撲超導證據

丹麥哥本哈根大學Fabrizio Nichele團隊和Charles M. Marcus團隊研究了二維InAs/Al異質結構JJ圖形邊緣隧道電導的相位相關ZBPs。ZBP出現的臨界場取決于相位偏差，并且在?≈π處最小。研究人員研究了ZBP穩定性隨場B | |，相?和化學勢μ的變化，得到了與有限尺寸結的拓撲相圖定性一致的結果。結合其自頂向下的制造方法，拓撲通道的相位調諧無需仔細的柵極調諧，將大大簡化實現拓撲保護量子器件所需的復雜網絡幾何結構的實現。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1068-8#article-info

9 Nature: 相控Josephson結中的拓撲超導

哈佛大學Amir Yacoby團隊設計并實現了一個可控制的二維拓撲超導平臺。這個平臺是基于最近的一個平面約瑟夫森結的理論建議，這個平面約瑟夫森結是由二維電子氣體（2D EG）在兩個鋁超導導線中間受強Rashba自旋-軌道相互作用而形成的。在這個系統中，平凡超導電性和拓撲超導電性之間的相變可以用兩個獨立的旋鈕來調節：穿過結的相位差φ和塞曼能量EZ，它由施加在結平面上的外部磁場控制。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1148-9

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