诺奖材料，风光依旧！18篇Nature/Science告诉你这个诺奖材料有多火！

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

一、拓扑材料研究背景介绍

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索利斯（David J.Thouless）、霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）和科斯特里兹（J. Michael Kosterlitz）因在拓扑相变和物质拓扑相方面取得的开创性工作，三人共同获得2016年诺贝尔物理学奖。近年来，拓扑材料的研究飞速发展。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，而拓扑材料具有在面对剧烈的温度变化或结构变化亦能保持其电性能的性质，同时可能会促使从电子产品到量子计算机和新型超导体的发展，为此无数科学家付出了超出寻常的努力。下面我们列举了2018年以来，Science和Nature杂志上拓扑材料研究有关的部分代表性成果，一起交流探讨。

二、Nature/Science关于拓扑材料领域文章介绍

1 Nature: 基于Cd3As2中Weyl轨道的量子霍尔效应！

复旦大学修发贤团队报告了基于Weyl轨道的新型量子霍尔效应在Dirac半金属Cd3As2纳米结构中的实现。通过使用楔形样品，表明量子霍尔电阻受到厚度（几纳米）微小变化的强烈调制。量子霍尔电阻的角依赖性进一步揭示了Landau能级与Weyl结对的k-空间分离之间的联系。这些特征突出了Cd3As2纳米结构中量子霍尔效应的Weyl轨道性质，开辟了在三维系统中创建量子霍尔态的新途径。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0798-3

2 Nature: ZrTe5中的三维量子霍尔效应和金属-绝缘体跃迁！

南方科技大学张立源研究组、中国科学技术大学乔振华研究组与国外研究团队密切合作，在三维电子气体系里也实现了量子霍尔效应。研究人员展示了一个交互驱动的三维量子霍尔效应(3D QHE)。在这里，相互作用的影响被几个因素增强了。一种是Landau量子化，它有效地降低了电子系统的维数。第二，由于低载流子密度，可以实现完美的费米面嵌套，因此很容易达到极端量子极限。第三个是结构各向异性，这导致沿z方向的色散相对较小（但系统仍然是三维的，而不是准二维的）。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9

3 Nature: 高质量拓扑材料的完整目录

普林斯顿大学/中科院物理研究所Wang Zhijun及普林斯顿大学B. Andrei Bernevig提出了一个大名单（强）拓扑（非磁性）“高质量”材料的性质，以及他们的结构，波段和拓扑性质的广泛信息。这项工作由几个研究模块组成，每个模块对于发现具有强而脆弱拓扑结构的材料至关重要。考虑到已经证明超过四分之一的材料是拓扑的，研究人员可以保证在ICSD数据库中找到许多其它的材料。

文献链接：

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

4 Nature: 拓扑电子材料目录

中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心的翁红明副研究员以及方辰研究员等人设计了一种快速诊断非磁性材料中非平凡拓扑结构的算法，而只使用布里渊区高对称点的对称数据作为输入源。研究人员已将该算法应用于材料项目和ICSD中注册的所有材料。与人们普遍认为的非平凡拓扑是奇异的和稀缺的不同，研究人员发现超过30%（26688中的8056）的材料是拓扑的。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-0944-6

5 Nature: 使用对称指标全面搜索拓扑材料

南京大学物理学院万贤纲教授的科研团队及其合作者基于GGA方法和mBJ方法预测了材料的拓扑性质。在讨论了几种有代表性的拓扑材料的同时，还列出了使用GGA方法发现的所有其它近乎理想的候选拓扑材料。研究人员进一步从这些潜在的拓扑材料中提取了9.9%的近似理想的候选拓扑材料，与传统的拓扑材料相比，它们显示了很大的结构和化学变化。研究人员指出开发系统且经济有效的方法来探索材料的拓扑性质将是一个有趣的未来方向。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-0937-5

6 Nature: 石墨烯纳米带的拓扑带工程

美国加州大学伯克利分校的Steven G. Louie教授、Michael F. Crommie教授和Felix R. Fischer教授证明通过仔细设计自下而上合成中使用的分子前驱体，可以合理地设计局部和全局GNR电子拓扑。这种方法能够确定地设计GNR体和GNR/真空终止区的拓扑界面状态。拓扑界面态的超晶格允许形成新的体前沿带（OTB和UTB）。原则上，这些拓扑诱导带的性质可以通过超晶格组分的拓扑守恒修改来微调，从而在每个内部7/9-AGNR界面处产生具有稳健自旋中心的有效反铁磁海森堡自旋1/2链。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0376-8

7 Nature: 石墨烯纳米带中稳健的拓扑量子相的工程

上海交通大学王世勇特别研究员与瑞士材料联邦科学与技术实验室Roman课题组、德国马普所Klaus Mullen课题组等提出一种基于原子精确石墨烯纳米带的灵活策略，以设计具有SSH描述的价电子结构的坚固纳米材料。研究人员展示了石墨烯纳米带与扶手椅边缘的交界处拓扑边界态的受控周期性耦合，以创建准一维平凡和非平凡的电子量子相。这种策略有可能将拓扑电子带的带宽调整到接近感应自旋轨道耦合或超导性的能级。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0375-9

8 Nature: 平面Josephson结中的拓扑超导证据

丹麦哥本哈根大学Fabrizio Nichele团队和Charles M. Marcus团队研究了二维InAs/Al异质结构JJ图形边缘隧道电导的相位相关ZBPs。ZBP出现的临界场取决于相位偏差，并且在ɕ≈π处最小。研究人员研究了ZBP稳定性随场B | |，相ɕ和化学势μ的变化，得到了与有限尺寸结的拓扑相图定性一致的结果。结合其自顶向下的制造方法，拓扑通道的相位调谐无需仔细的栅极调谐，将大大简化实现拓扑保护量子器件所需的复杂网络几何结构的实现。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1068-8#article-info

9 Nature: 相控Josephson结中的拓扑超导

哈佛大学Amir Yacoby团队设计并实现了一个可控制的二维拓扑超导平台。这个平台是基于最近的一个平面约瑟夫森结的理论建议，这个平面约瑟夫森结是由二维电子气体（2D EG）在两个铝超导导线中间受强Rashba自旋-轨道相互作用而形成的。在这个系统中，平凡超导电性和拓扑超导电性之间的相变可以用两个独立的旋钮来调节：穿过结的相位差φ和塞曼能量EZ，它由施加在结平面上的外部磁场控制。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1148-9

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