第一情报 ---材料工业

国内拓扑材料研究进展概况

供稿人:冯海玮  供稿时间:2018-5-31   关键字:拓扑材料  

一、国家战略持续保持对拓扑材料研发的支持


2007年,国家科技部便将拓扑理论及应用研究列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》的任务要求。随后,科技部保持了对拓扑理论及拓扑材料研究的持续关注,研究课题的资助力度持续加大,使得我国的拓扑理论及应用研究走在了世界的前列并诞生一系列举世瞩目的研究成果。

 

拓扑理论研究类资助始于“十一五”。在拓扑理论基础研究方面,科技部设立了国家科技支撑计划重点项目,“拓扑结构及数学模型仿真”等课题获得资助。不过该时期拓扑研究还集中在理论研究层面,还未涉及拓扑理论在材料科学中的拓展应用。

 

拓扑材料类资助出现于“十二五”。2012年,中国人民大学鲍威和上海交通大学刘荧获得科技部重大科学研究计划(量子调控),获资助课题分别为“功能关联电子材料及其低能激发与拓扑量子性质的调控研究”和“功能关联电子材料及其拓扑量子性质的调控与应用”;2014年北京大学杜瑞瑞申报课题—新型低维体系量子输运和拓扑态的研究获得科技部资助;2015年,来自天津大学的Jay Siegel申报课题—分子基功能碳材料新型拓扑结构的基础与前沿研究获得973计划(综合与前沿)资助。

 

“十三五”期间,拓扑材料领域资助力度持续增大。2016年,科技部将拓扑材料研究放在“量子调控与量子信息研究”基础研究专项中的“小量子体系”研究子任务中。中科院物理所吕力团队获得该项资助(课题名称为“拓扑量子材料、物性及器件”),资助金额达到9676万元,项目实施周期为5年;2017年,“量子调控与量子信息研究”基础研究专项扩大了拓扑材料及其相关研究的领域。在“关联电子体系”和“小量子体系”中设立了“新型二维层状非常规超导体的探索与机理”、“拓扑磁性结构及其异质结的输运和器件”、“拓扑复合小量子体系中的自旋、电荷调控”以及“拓扑量子材料电子结构的调控和器件开发”四个研究课题。最终,中国科技大学的陈仙辉、南京大学王伯根、北京大学的孙庆丰和上海科技大学的柳仲楷获得上述四项资助,资助金额分别为2800万元、2801万元、2747万元和440万元,总资助额度打8788万元,较2016年有所降低,项目实施周期均为5年

 

综上,历年科技部在拓扑材料领域直接资助课题共计9项,其中北京地区4次获得资助,上海地区2次获得资助,天津、江苏和安徽地区各获得1次。作为我国教育和科研资源的主要聚集地,目前北京和上海优势明显。随着安徽合肥“量子信息科学国家实验室”的建设,国内拓扑材料研究力量必将在此聚集,届时有望实现京、沪、皖“三足鼎立”的新格局。

 

二、中国科学家走在拓扑材料研究最前列

 

目前,我国在拓扑绝缘体和拓扑半金属等拓扑材料领域已经具备很强的理论和实验技术储备,形成了如中科院物理所方忠团队和翁红明团队、清华大学周树云团队等一批优秀的研究团队,取得了一批重要突破和有重大国际影响的研究成果(如声拓扑绝缘体的量子自旋霍尔效应第二类外尔半金属),处于国际前沿,并起到引领作用。

 

2010年,中科院物理所方忠研究团队率先在拓扑材料的理论和材料设计方面取得了突破,被《科学》杂志称作实现量子反常霍尔效应的最佳体系”;2013年,团队在极低温输运测量装置上观测到了量子反常霍尔效应。其研究成果发表于美国《科学》杂志2014年,团队首次发现三维石墨烯,向实现真正分离的手性电子迈出了关键的一步,并首次预言在TaAs、TaP、NbAs和NbP等材料体系中可打破中心对称的保护,实现两种手性电子的分离,即外尔电子态2015年,该团队率先制备出具有原子级平整表面的大块TaAs晶体,首次得到了外尔半金属材料的角分辨光电子能谱,直接观测到了表面的费米弧,即外尔费米子存在的证据,使得外尔费米子80多年后第一次展现在科学家面前。发现是国际上物理学研究重要科学突破,对拓扑电子学等颠覆性技术的出现具有非常重要的意义。

 

2017年,清华大学周树云研究组通过优化条件,生长出大面积、高质量的单晶样品,并且利用变温拉曼振动光谱,确立了低温相的MoTe2不具有中心反演对称性,从对称性的角度支持了Td相的MoTe2符合第二类Weyl半金属,成果发表在自然·通讯为进步从能谱确认第二类Weyl费米子的存在,研究组利用表面敏感实验技术,对样品电子结构进行了详尽的表征和测量,验证了Td相的MoTe2作为第二类Weyl半金属的基本特征严重倾斜的狄拉克锥和来自于拓扑表面态的非闭合费米弧。该项研究是世界上首次直接从实验上完整地证实了Td相的MoTe2是第二类Weyl半金属研究成果发表在自然·物理》。

 

中国科学家团队未来有望在拓扑材料的应用方面继续走在国际最前列,在低能耗、多功能器件以及量子计算机研发方面取得突破。

 


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