近年來拓撲材料的研究蓬勃發展，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，而拓撲材料所具有的奇異特性-即即使面對劇烈的溫度變化或結構變形也能保持其電性能，可能促使從更節能的電子產品到新型超導體和量子計算機的發展，無數科學家們為此付出了艱苦卓絕的努力。2016年諾貝爾物理學獎授予索利斯（David J.Thouless）、霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）和科斯特里茲（J. Michael Kosterlitz），以表彰他們在拓撲相變和物質拓撲相方面的開創性工作。近年來，拓撲相關領域的重大突破層出不窮，令人激動的拓撲物理學領域可能即將迎來它的爆發。
下面，我們分享2018年以來在Sciecne/Nature雜志上拓撲相關的部分重要研究進展，希望對相關研究人員有所啟發。
Nature丨首次實驗觀測到三維量子霍爾效應
量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。但一百多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留于二維體系，從未涉足三維領域。
2018年12月17日，復旦大學修發賢團隊基于厚度可控的砷化鎘納米片首次觀測到三維量子霍爾效應。2019年5月南方科技大學Liyuan Zhang、中國科學技術大學Zhenhua Qiao以及新加坡科技設計大學Shengyuan A. Yang等團隊在毫米級ZrTe5晶體中實驗證實三維量子霍爾效應。三維量子霍爾效應的發現，為霍爾效應帶來了全新的活力和無限的可能。
Nature三連擊丨把拓撲材料一網打盡
2018年，研究人員首次系統搜索了整個材料數據庫，以尋找具有拓撲狀態的材料。研究結果表明，自然界中至少24%的材料可能都具有拓撲結構。幾個不同的研究小組分別在arxiv.org上公布了他們的最新研究成果。研究者開發了根據材料的化學性質和對稱性來計算其拓撲屬性的算法，基于這種算法，他們研究了上萬種材料并根據拓撲屬性將其分類。
2019年2月28日，南京大學萬賢綱團隊、中科院物理所方辰/翁紅明團隊、普林斯頓大學Zhijun Wang/B.Andrei Bernevig團隊同時、獨立地報道了通過大數據和算法，預測幾千種已知材料可能具有拓撲性質。在此之前，已知的拓撲材料僅有幾百種。這為新型拓撲性質的應用，拓撲材料的開發開辟了一扇大門。
Nature背靠背丨石墨烯納米帶拓撲態調控
2018年8月9日，美國加州大學伯克利分校Steven G. Louie，Michael F. Crommie, Felix R. Fischer團隊，瑞士聯邦材料科學與技術實驗室Oliver Gr?ning團隊，同時、獨立地報道了石墨烯納米帶拓撲性質的最新成果。
兩個團隊都是以分子級前驅體，從實驗上制備得到原子尺度精確的石墨烯納米帶，發現石墨烯納米帶連接處的拓撲邊界態存在可控的周期性偶聯，從而進行拓撲態或拓撲能帶結構的調控。
Nature背靠背丨在Josephson結中發現拓撲超導性
雖然Majorana邊界態的特征在一維系統中已經被觀測到，但目前人們正在努力尋找不需要微調參數、并且可以輕松地擴展到大量狀態的替代平臺。二維系統則正好提供了一種可替代的方法，使得Majorana通道限域在平面的Josephson結內。
2019年2月，哈佛大學Amir Yacoby團隊、丹麥哥本哈根大學Fabrizio Nichele、Charles M. Marcus團隊分別同時、獨立地報道了在Josephson結發現拓撲超導性的實驗證據。
Nature丨首個三維光學拓撲絕緣體
光沿直線傳播，這是我們的常識，科學家卻有辦法讓光拐彎，發生許多有趣的現象，譬如隱身衣。2019年1月9日，浙江大學陳紅勝教授課題組和新加坡南洋理工大學Baile Zhang教授、Yidong Chong教授課題組合作構建出世界上首個三維光學拓撲絕緣體。三維世界光子的“高速公路”，是“Z”字形的。表面波在界面傳播時，能夠無障礙的繞過Z型拐角，對表面波來說，這些拐角就像被隱形一樣，而能夠繞過拐角實現高效地傳播，這正是受益于三維光學拓撲絕緣體的拓撲保護特性。
這項研究首次將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系，并可能應用于三維拓撲光學集成電路、拓撲波導、光學延遲線、拓撲激光器以及其他表面電磁波的調控器件等。
Nature丨首次實驗證明弱拓撲絕緣態的存在
過去十年，拓撲材料的重大突破都基于Z2型拓撲絕緣體的發現，后者是一類內部絕緣，表面導電的材料。在三維空間，拓撲絕緣體分為強/弱拓撲絕緣體，且實驗很快證實了對強拓撲絕緣體的理論預測。相比之下，弱拓撲絕緣體（WTI）尚未被實驗證實，因為拓撲表面態只出現在特定側端面上，一般情況下無法在實際的三維晶體中檢測。2019年2月12日，東京大學Takeshi Kondo和東京工業大學T. Sasagawa團隊及其合作者從首次實驗上證明了β-Bi4I4中存在WTI態。
Nature丨量子霍爾鐵磁體新發現
量子霍爾鐵磁體（QHFMs）是一類二維電子相，其具有自發破缺的自旋或贗自旋對稱性，且其波函數具有拓撲性質。對稱性和拓撲學是理解QHFMs的核心。2019年2月7日，普林斯頓大學Ali Yazdani團隊采用掃描隧道顯微鏡，直接觀察了Bi表面具有不同谷極化（即，在電子結構中占據能量相同但量子力學上具有差異性的能谷）的QHFM相之間疇壁處邊界態的自發形成。
Nature丨光控轉換高分子拓撲結構
長期以來，聚合物網絡鏈和結之間的拓撲連接，一直與決定聚合物網絡的整體性質有關。最新的研究表明：網絡拓撲結構作為聚合物網絡的參數之一，在確定彈性，凝膠點，網絡等材料特性中起著關鍵作用。有鑒于此，美國麻省理工學院Jeremiah Johnson課題組利用紫外/可見光首次實現了對高分子網絡拓撲結構的可逆轉換，從而實現了對材料多種性質的協同調控。
Nature丨調控量子材料新突破
具有Kagome晶格結構的材料由于其六角網狀的特殊幾何構形，往往伴隨有許多新奇的物理性質，是目前量子材料領域十分熱門的一類材料。有鑒于此，美國普林斯頓大學Hasan課題組殷嘉鑫等與中國科學院物理研究所王文洪團隊，波士頓學院汪自強團隊，中國人民大學盧仲毅團隊，北京大學賈爽團隊，臺灣成功大學Tay-Rong Chang和中央研究院Hsin Lin等緊密合作，結合矢量強磁場與高分辨掃描隧道顯微鏡發現了強關聯kagome磁體Fe3Sn2的自旋軌道的巨大量子調控特性。
Science丨門控電壓誘導單層拓撲絕緣體的超導轉變
理論預測，三維拓撲絕緣體與超導體的界面上的vortex core中將會形成majorana 費米子零模，這一特點有可能實現拓撲量子計算。2018年11月23日，加拿大英屬哥倫比亞大學Joshua A.Folk團隊發現了通過靜電調控，施加門控電壓，可以實現單層二維WTe2從拓撲絕緣相到超導相的轉變。臨界溫度接近1K。這一發現為結合超導性和拓撲特性的門控器件提供了可能性。
Science丨單層拓撲絕緣體中可電調諧的超導性
在拓撲非平凡絕緣體中實現超導性，可以為尋找非阿貝爾拓撲結構提供一條新的途徑。然而，現有關于超導體-絕緣體轉變的報道只涉及與拓撲無關的體系。有鑒于此，美國麻省理工學院PabloJarillo-Herrero和Sanfeng Wu團隊與加拿大英屬哥倫比亞大學Joshua A.Folk團隊同時，獨立地通過靜電調控，施加門控電壓，實現了單層雙碲化鎢(WTe2)從拓撲絕緣相到超導相的可逆轉變，臨界溫度Tc接近1k。該研究結果建立了一個基于單分子層WTe2，可以同時結合超導性和拓撲特性的納米器件。
Science丨無序原子線中觀察安德森拓撲絕緣體
拓撲和無序對量子輸運的影響是至關重要的。一般來說，在有序體系中加入無序，會導致整個體系更加無序。然而，伊利諾伊大學香檳分校Taylor L.Hughes、Bryce Gadway和巴塞羅那科技學院 PietroMassignan團隊研究發現，在平凡拓撲的超冷Rb原子形成的一維晶格中引入無序波動，卻觀察到非平凡拓撲的一維手性對稱原子線。隨著無序波動強大到一定程度，原子線又回到平凡拓撲態。此外，作者還觀察到了非平凡拓撲在較弱無序體系中的穩定性，并測量了在強無序存在下向平凡拓撲的轉變。
拓撲材料，未來可期！
