近年来拓扑材料的研究蓬勃发展，所谓拓扑，是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科，而拓扑材料所具有的奇异特性-即即使面对剧烈的温度变化或结构变形也能保持其电性能，可能促使从更节能的电子产品到新型超导体和量子计算机的发展，无数科学家们为此付出了艰苦卓绝的努力。2016年诺贝尔物理学奖授予索利斯（David J.Thouless）、霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）和科斯特里兹（J. Michael Kosterlitz），以表彰他们在拓扑相变和物质拓扑相方面的开创性工作。近年来，拓扑相关领域的重大突破层出不穷，令人激动的拓扑物理学领域可能即将迎来它的爆发。

下面，我们分享2018年以来在Sciecne/Nature杂志上拓扑相关的部分重要研究进展，希望对相关研究人员有所启发。

Nature丨首次实验观测到三维量子霍尔效应

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一，迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但一百多年来，科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系，从未涉足三维领域。

2018年12月17日，复旦大学修发贤团队基于厚度可控的砷化镉纳米片首次观测到三维量子霍尔效应。2019年5月南方科技大学Liyuan Zhang、中国科学技术大学Zhenhua Qiao以及新加坡科技设计大学Shengyuan A. Yang等团队在毫米级ZrTe₅晶体中实验证实三维量子霍尔效应。三维量子霍尔效应的发现，为霍尔效应带来了全新的活力和无限的可能。

Nature三连击丨把拓扑材料一网打尽

2018年，研究人员首次系统搜索了整个材料数据库，以寻找具有拓扑状态的材料。研究结果表明，自然界中至少24%的材料可能都具有拓扑结构。几个不同的研究小组分别在arxiv.org上公布了他们的最新研究成果。研究者开发了根据材料的化学性质和对称性来计算其拓扑属性的算法，基于这种算法，他们研究了上万种材料并根据拓扑属性将其分类。

2019年2月28日，南京大学万贤纲团队、中科院物理所方辰/翁红明团队、普林斯顿大学Zhijun Wang/B.Andrei Bernevig团队同时、独立地报道了通过大数据和算法，预测几千种已知材料可能具有拓扑性质。在此之前，已知的拓扑材料仅有几百种。这为新型拓扑性质的应用，拓扑材料的开发开辟了一扇大门。

Nature背靠背丨石墨烯纳米带拓扑态调控

2018年8月9日，美国加州大学伯克利分校Steven G. Louie，Michael F. Crommie, Felix R. Fischer团队，瑞士联邦材料科学与技术实验室Oliver Gröning团队，同时、独立地报道了石墨烯纳米带拓扑性质的最新成果。

两个团队都是以分子级前驱体，从实验上制备得到原子尺度精确的石墨烯纳米带，发现石墨烯纳米带连接处的拓扑边界态存在可控的周期性偶联，从而进行拓扑态或拓扑能带结构的调控。

Nature背靠背丨在Josephson结中发现拓扑超导性

虽然Majorana边界态的特征在一维系统中已经被观测到，但目前人们正在努力寻找不需要微调参数、并且可以轻松地扩展到大量状态的替代平台。二维系统则正好提供了一种可替代的方法，使得Majorana通道限域在平面的Josephson结内。

2019年2月，哈佛大学Amir Yacoby团队、丹麦哥本哈根大学Fabrizio Nichele、Charles M. Marcus团队分别同时、独立地报道了在Josephson结发现拓扑超导性的实验证据。

Nature丨首个三维光学拓扑绝缘体

光沿直线传播，这是我们的常识，科学家却有办法让光拐弯，发生许多有趣的现象，譬如隐身衣。2019年1月9日，浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学Baile Zhang教授、Yidong Chong教授课题组合作构建出世界上首个三维光学拓扑绝缘体。三维世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面传播时，能够无障碍的绕过Z型拐角，对表面波来说，这些拐角就像被隐形一样，而能够绕过拐角实现高效地传播，这正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。

这项研究首次将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，并可能应用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面电磁波的调控器件等。

Nature丨首次实验证明弱拓扑绝缘态的存在

过去十年，拓扑材料的重大突破都基于Z₂型拓扑绝缘体的发现，后者是一类内部绝缘，表面导电的材料。在三维空间，拓扑绝缘体分为强/弱拓扑绝缘体，且实验很快证实了对强拓扑绝缘体的理论预测。相比之下，弱拓扑绝缘体（WTI）尚未被实验证实，因为拓扑表面态只出现在特定侧端面上，一般情况下无法在实际的三维晶体中检测。2019年2月12日，东京大学Takeshi Kondo和东京工业大学T. Sasagawa团队及其合作者从首次实验上证明了β-Bi₄I₄中存在WTI态。

Nature丨量子霍尔铁磁体新发现

量子霍尔铁磁体（QHFMs）是一类二维电子相，其具有自发破缺的自旋或赝自旋对称性，且其波函数具有拓扑性质。对称性和拓扑学是理解QHFMs的核心。2019年2月7日，普林斯顿大学Ali Yazdani团队采用扫描隧道显微镜，直接观察了Bi表面具有不同谷极化（即，在电子结构中占据能量相同但量子力学上具有差异性的能谷）的QHFM相之间畴壁处边界态的自发形成。

Nature丨光控转换高分子拓扑结构

长期以来，聚合物网络链和结之间的拓扑连接，一直与决定聚合物网络的整体性质有关。最新的研究表明：网络拓扑结构作为聚合物网络的参数之一，在确定弹性，凝胶点，网络等材料特性中起着关键作用。有鉴于此，美国麻省理工学院Jeremiah Johnson课题组利用紫外/可见光首次实现了对高分子网络拓扑结构的可逆转换，从而实现了对材料多种性质的协同调控。

Nature丨调控量子材料新突破

具有Kagome晶格结构的材料由于其六角网状的特殊几何构形，往往伴随有许多新奇的物理性质，是目前量子材料领域十分热门的一类材料。有鉴于此，美国普林斯顿大学Hasan课题组殷嘉鑫等与中国科学院物理研究所王文洪团队，波士顿学院汪自强团队，中国人民大学卢仲毅团队，北京大学贾爽团队，台湾成功大学Tay-Rong Chang和中央研究院Hsin Lin等紧密合作，结合矢量强磁场与高分辨扫描隧道显微镜发现了强关联kagome磁体Fe₃Sn₂的自旋轨道的巨大量子调控特性。

Science丨门控电压诱导单层拓扑绝缘体的超导转变

理论预测，三维拓扑绝缘体与超导体的界面上的vortex core中将会形成majorana 费米子零模，这一特点有可能实现拓扑量子计算。2018年11月23日，加拿大英属哥伦比亚大学Joshua A.Folk团队发现了通过静电调控，施加门控电压，可以实现单层二维WTe₂从拓扑绝缘相到超导相的转变。临界温度接近1K。这一发现为结合超导性和拓扑特性的门控器件提供了可能性。

Science丨单层拓扑绝缘体中可电调谐的超导性

在拓扑非平凡绝缘体中实现超导性，可以为寻找非阿贝尔拓扑结构提供一条新的途径。然而，现有关于超导体-绝缘体转变的报道只涉及与拓扑无关的体系。有鉴于此，美国麻省理工学院PabloJarillo-Herrero和Sanfeng Wu团队与加拿大英属哥伦比亚大学Joshua A.Folk团队同时，独立地通过静电调控，施加门控电压，实现了单层双碲化钨(WTe₂)从拓扑绝缘相到超导相的可逆转变，临界温度Tc接近1k。该研究结果建立了一个基于单分子层WTe₂，可以同时结合超导性和拓扑特性的纳米器件。

Science丨无序原子线中观察安德森拓扑绝缘体

拓扑和无序对量子输运的影响是至关重要的。一般来说，在有序体系中加入无序，会导致整个体系更加无序。然而，伊利诺伊大学香槟分校Taylor L.Hughes、Bryce Gadway和巴塞罗那科技学院 PietroMassignan团队研究发现，在平凡拓扑的超冷Rb原子形成的一维晶格中引入无序波动，却观察到非平凡拓扑的一维手性对称原子线。随着无序波动强大到一定程度，原子线又回到平凡拓扑态。此外，作者还观察到了非平凡拓扑在较弱无序体系中的稳定性，并测量了在强无序存在下向平凡拓扑的转变。

拓扑材料，未来可期！