2023年10月27日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心、北京物理學會主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第十五期）在beat365第二教學樓301教室舉行。beat365博雅講席教授、beat365前院長、量子材料科學中心創始主任謝心澄院士應邀講授“量子材料：超導和拓撲材料”。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。

量子力學、凝聚态物理學的建立，将人類對材料的研究從力學性能等表征的宏觀尺度拓展至電子行為主導的微觀尺度。量子材料由關聯電子材料的概念引申而來，因其内部存在複雜的相互作用，往往顯現出新奇的物态、相變和準粒子激發，是物理學、材料科學領域最活躍的前沿方向之一。新物理、新材料的原創發現為新的應用場景提供了更多源泉；新的應用需求也會加速新物理、新材料的前沿探索——三者互促共進，構成了當今量子材料領域的主旋律。謝心澄為同學們詳盡地闡釋了超導、拓撲材料體系的發展曆史、研究現狀和應用展望。

謝心澄從安德森（P.W. Anderson）對現代凝聚态物理學的重大貢獻講起

上世紀初，物理學處于從經典物理學向現代物理學過渡，特别是量子力學建立的重要時期。自從昂尼斯（H. Kamerlingh-Onnes）1911年發現汞在極低溫條件下的超導現象（獲1913年諾貝爾物理學獎）之後，超導體的理想導電性、完全抗磁性（稱為邁斯納效應）等特性吸引着一代代物理學家用各種方式尋究其豐富的物理意義和應用價值。1950年，金茨堡（V. L. Ginzburg）和朗道（L. D. Landau）提出描述超導電性的唯象理論，阿布裡科索夫（A. A. Abrikosov）随後發展出磁通點陣理論，奠定了超導強電應用的基礎（金茨堡、阿布裡科索夫獲2003年諾貝爾物理學獎）。1957年，巴丁（J. Bardeen）、庫珀（L. N. Cooper）、施裡弗（J. R. Schrieffer）提出了描述超導電性的微觀理論（簡稱BCS理論，獲1972年諾貝爾物理學獎）。1962年，約瑟夫森（B. D. Josephson）發現了超導隧穿效應（亦稱約瑟夫森效應，獲1973年諾貝爾物理學獎），不僅展現出與BCS理論高度的一緻性，而且充分顯示出宏觀量子效應，成為超導電子學應用的物理基礎。1986年，貝德諾爾茨（J. G. Bednorz）和米勒（K. A. Muller）發現了陶瓷材料的高溫超導電性（獲1987年諾貝爾物理學獎）；2008年，細野秀雄（Hideo Hosono）發現了鐵基材料的高溫超導電性；随後，中國物理學家在這一領域的研究中不斷突破極限，領跑世界前沿。超導技術的應用潛力牽動能源、信息、健康等領域煥發蓬勃生機，帶來顯著的經濟效益和社會效益。基于約瑟夫森結的超導電路在量子計算研究中具有獨特優勢；2021年，我國利用超導量子比特系統成功構建原型機“祖沖之二号”，從而成為世界上唯一在光量子、超導量子兩種技術路線上實現“量子優越性”的國家。

傳統的凝聚态物理用基于對稱性和序參量的朗道相變理論對物态進行分類。随着上世紀五十年代末拓撲學（即研究幾何體在連續形變中不變性的數學分支）被引入物理學研究，物理學家認識到研究能帶拓撲結構可以提高物态分類水平。八十年代初，馮•克利欽（K. von Klitzing）在極低溫強磁場的二維電子氣體系中發現了整數量子霍爾效應（獲1985年諾貝爾物理學獎），崔琦（D. C. Tsui）和施特默（H. Störmer）發現了分數量子霍爾效應（獲1998年諾貝爾物理學獎）；超越朗道範式的拓撲量子相變理論應運而生。索利斯（D. J. Thouless）、科斯特利茨（J. M. Kosterlitz）和霍爾丹（F. D. M. Haldane）在七八十年代發現物質拓撲相并在拓撲相變方面做出開創性的理論貢獻（獲2016年諾貝爾物理學獎），首次在物理的宏觀觀測量（電子波函數）與數學的拓撲不變量（陳數）之間建立聯系，給出了量子霍爾效應的拓撲诠釋。自從2005年拓撲絕緣體（即時間反演對稱保護下具有新的拓撲不變量的絕緣體）的概念被提出之後，物理學家陸續發現了若幹類不依賴于磁場的新型拓撲材料；例如，可以産生量子自旋霍爾效應的二維、三維拓撲絕緣體，拓撲晶體絕緣體，拓撲半金屬（包括狄拉克半金屬、外爾半金屬等），可以産生量子反常霍爾效應的磁性拓撲絕緣體（包括陳絕緣體等），可能出現馬約拉納零能模的拓撲超導體，等等。其中，基于邊緣态自旋輸運呈現出“雙向車道高速公路”的優異特性，拓撲絕緣體被寄望用以解決摩爾定律即将失效的難題，突破信息領域面臨的瓶頸，在半導體功能器件、低功耗微納電子器件、拓撲量子計算等方面有着令人矚目的應用前景。

謝心澄指出，拓撲量子計算是利用拓撲材料中具有非阿貝爾統計的準粒子構築量子比特、執行量子計算的研究方案

謝心澄還介紹了近年來自己與量子材料科學中心的同事們圍繞上述兩種材料體系研究所取得的重要進展。與孫慶豐教授等首次提出被命名為“自旋超導态”（即電荷為零、自旋非零的玻色子在低溫時凝聚而成的超流态）的新奇物态及産生自旋極化和調控自旋輸運的全新方案，對自旋電子器件研發與應用具有重要的理論指導意義；與韓偉研究員等采用非局域自旋輸運技術，首次在實驗上觀測到自旋超流基态和其中的自旋輸運，進而證明自旋超流态的輸運距離與理論預言一緻，促成了一系列激發、探測自旋流方法的提出和實驗驗證；與林熙教授通過系統、準确的電阻測量，提出并解釋了局域條件下二維電子氣中一系列異常量子化平台的起源，提供了一種通過分數量子霍爾邊緣态探測和應用非阿貝爾統計的方法。與其他合作者利用拓撲半金屬中費米弧和“蟲洞隧穿”構成的外爾軌道，提出了一種新的三維量子霍爾效應機制并得到實驗驗證；研究拓撲半金屬中的三維量子霍爾效應，闡明邊緣态的完整圖像，揭示了新穎邊緣态的本質；提出了磁性拓撲絕緣體中量子霍爾效應和量子反常霍爾效應共存的物理圖像；證明高階拓撲絕緣體中的拓撲角态具有非阿貝爾編織特性，提出了在狄拉克費米子模這一非馬約拉納體系中實現非阿貝爾編織的方案。

新生新思：“拓撲材料顯奇能，量子計算展新貌”

同學們就相變理論與對稱性破缺思想、層展論與還原論、新物理與數學模型、超導體、超流體與凝聚體等踴躍提問。謝心澄以十年前為慶祝北大物理百年華誕創作的一首《物理之歌》升級版：

……

格物孜孜不倦，緻理如饑似渴

字裡行間燒腦，三點一線奔波

測不準原理，波粒不再分隔

洛侖茲變換，高速下的時空交錯

薛定谔的貓，生死難以捉摸

黑洞的魔掌，光波也無法逃脫

核子中的誇克，各具口味顔色

宇稱不再守恒，隻因相互作用過弱

格物腳踏實地，緻理上下求索

實驗室裡信号捉，計算機前驅BUG

貓态上的光子，請多多糾纏不舍

絕緣體表面變導體，都是拓撲惹的禍

宇宙加速膨脹，可是暗能量的漩渦？

上帝粒子發現，何處迸發新的突破？

……

向最年輕的北大物理人表達了要堅持“博學之，審問之，慎思之，明辨之，笃行之”的期願。

謝心澄（一排左七）、高原甯（一排左八）與同學們課後合影

beat365馬文君教授和量子材料科學中心博士後李海龍、闫青等現場出席。