2023年10月27日晚，由北京大学物理学院、北京现代物理研究中心、北京物理学会主办的“北京大学物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第十五期）在北京大学第二教学楼301教室举行。北京大学博雅讲席教授、物理学院前院长、量子材料科学中心创始主任谢心澄院士应邀讲授“量子材料：超导和拓扑材料”。本期讲堂由北京大学物理学院院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

量子力学、凝聚态物理学的建立，将人类对材料的研究从力学性能等表征的宏观尺度拓展至电子行为主导的微观尺度。量子材料由关联电子材料的概念引申而来，因其内部存在复杂的相互作用，往往显现出新奇的物态、相变和准粒子激发，是物理学、材料科学领域最活跃的前沿方向之一。新物理、新材料的原创发现为新的应用场景提供了更多源泉；新的应用需求也会加速新物理、新材料的前沿探索——三者互促共进，构成了当今量子材料领域的主旋律。谢心澄为同学们详尽地阐释了超导、拓扑材料体系的发展历史、研究现状和应用展望。

谢心澄从安德森（P.W. Anderson）对现代凝聚态物理学的重大贡献讲起

上世纪初，物理学处于从经典物理学向现代物理学过渡，特别是量子力学建立的重要时期。自从昂尼斯（H. Kamerlingh-Onnes）1911年发现汞在极低温条件下的超导现象（获1913年诺贝尔物理学奖）之后，超导体的理想导电性、完全抗磁性（称为迈斯纳效应）等特性吸引着一代代物理学家用各种方式寻究其丰富的物理意义和应用价值。1950年，金茨堡（V. L. Ginzburg）和朗道（L. D. Landau）提出描述超导电性的唯象理论，阿布里科索夫（A. A. Abrikosov）随后发展出磁通点阵理论，奠定了超导强电应用的基础（金茨堡、阿布里科索夫获2003年诺贝尔物理学奖）。1957年，巴丁（J. Bardeen）、库珀（L. N. Cooper）、施里弗（J. R. Schrieffer）提出了描述超导电性的微观理论（简称BCS理论，获1972年诺贝尔物理学奖）。1962年，约瑟夫森（B. D. Josephson）发现了超导隧穿效应（亦称约瑟夫森效应，获1973年诺贝尔物理学奖），不仅展现出与BCS理论高度的一致性，而且充分显示出宏观量子效应，成为超导电子学应用的物理基础。1986年，贝德诺尔茨（J. G. Bednorz）和米勒（K. A. Muller）发现了陶瓷材料的高温超导电性（获1987年诺贝尔物理学奖）；2008年，细野秀雄（Hideo Hosono）发现了铁基材料的高温超导电性；随后，中国物理学家在这一领域的研究中不断突破极限，领跑世界前沿。超导技术的应用潜力牵动能源、信息、健康等领域焕发蓬勃生机，带来显著的经济效益和社会效益。基于约瑟夫森结的超导电路在量子计算研究中具有独特优势；2021年，我国利用超导量子比特系统成功构建原型机“祖冲之二号”，从而成为世界上唯一在光量子、超导量子两种技术路线上实现“量子优越性”的国家。

传统的凝聚态物理用基于对称性和序参量的朗道相变理论对物态进行分类。随着上世纪五十年代末拓扑学（即研究几何体在连续形变中不变性的数学分支）被引入物理学研究，物理学家认识到研究能带拓扑结构可以提高物态分类水平。八十年代初，冯•克利钦（K. von Klitzing）在极低温强磁场的二维电子气体系中发现了整数量子霍尔效应（获1985年诺贝尔物理学奖），崔琦（D. C. Tsui）和施特默（H. Störmer）发现了分数量子霍尔效应（获1998年诺贝尔物理学奖）；超越朗道范式的拓扑量子相变理论应运而生。索利斯（D. J. Thouless）、科斯特利茨（J. M. Kosterlitz）和霍尔丹（F. D. M. Haldane）在七八十年代发现物质拓扑相并在拓扑相变方面做出开创性的理论贡献（获2016年诺贝尔物理学奖），首次在物理的宏观观测量（电子波函数）与数学的拓扑不变量（陈数）之间建立联系，给出了量子霍尔效应的拓扑诠释。自从2005年拓扑绝缘体（即时间反演对称保护下具有新的拓扑不变量的绝缘体）的概念被提出之后，物理学家陆续发现了若干类不依赖于磁场的新型拓扑材料；例如，可以产生量子自旋霍尔效应的二维、三维拓扑绝缘体，拓扑晶体绝缘体，拓扑半金属（包括狄拉克半金属、外尔半金属等），可以产生量子反常霍尔效应的磁性拓扑绝缘体（包括陈绝缘体等），可能出现马约拉纳零能模的拓扑超导体，等等。其中，基于边缘态自旋输运呈现出“双向车道高速公路”的优异特性，拓扑绝缘体被寄望用以解决摩尔定律即将失效的难题，突破信息领域面临的瓶颈，在半导体功能器件、低功耗微纳电子器件、拓扑量子计算等方面有着令人瞩目的应用前景。

谢心澄指出，拓扑量子计算是利用拓扑材料中具有非阿贝尔统计的准粒子构筑量子比特、执行量子计算的研究方案

谢心澄还介绍了近年来自己与量子材料科学中心的同事们围绕上述两种材料体系研究所取得的重要进展。与孙庆丰教授等首次提出被命名为“自旋超导态”（即电荷为零、自旋非零的玻色子在低温时凝聚而成的超流态）的新奇物态及产生自旋极化和调控自旋输运的全新方案，对自旋电子器件研发与应用具有重要的理论指导意义；与韩伟研究员等采用非局域自旋输运技术，首次在实验上观测到自旋超流基态和其中的自旋输运，进而证明自旋超流态的输运距离与理论预言一致，促成了一系列激发、探测自旋流方法的提出和实验验证；与林熙教授通过系统、准确的电阻测量，提出并解释了局域条件下二维电子气中一系列异常量子化平台的起源，提供了一种通过分数量子霍尔边缘态探测和应用非阿贝尔统计的方法。与其他合作者利用拓扑半金属中费米弧和“虫洞隧穿”构成的外尔轨道，提出了一种新的三维量子霍尔效应机制并得到实验验证；研究拓扑半金属中的三维量子霍尔效应，阐明边缘态的完整图像，揭示了新颖边缘态的本质；提出了磁性拓扑绝缘体中量子霍尔效应和量子反常霍尔效应共存的物理图像；证明高阶拓扑绝缘体中的拓扑角态具有非阿贝尔编织特性，提出了在狄拉克费米子模这一非马约拉纳体系中实现非阿贝尔编织的方案。

新生新思：“拓扑材料显奇能，量子计算展新貌”

同学们就相变理论与对称性破缺思想、层展论与还原论、新物理与数学模型、超导体、超流体与凝聚体等踊跃提问。谢心澄以十年前为庆祝北大物理百年华诞创作的一首《物理之歌》升级版：

……

格物孜孜不倦，致理如饥似渴

字里行间烧脑，三点一线奔波

测不准原理，波粒不再分隔

洛仑兹变换，高速下的时空交错

薛定谔的猫，生死难以捉摸

黑洞的魔掌，光波也无法逃脱

核子中的夸克，各具口味颜色

宇称不再守恒，只因相互作用过弱

格物脚踏实地，致理上下求索

实验室里信号捉，计算机前驱BUG

猫态上的光子，请多多纠缠不舍

绝缘体表面变导体，都是拓扑惹的祸

宇宙加速膨胀，可是暗能量的漩涡？

上帝粒子发现，何处迸发新的突破？

……

向最年轻的北大物理人表达了要坚持“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”的期愿。

谢心澄（一排左七）、高原宁（一排左八）与同学们课后合影

物理学院马文君教授和量子材料科学中心博士后李海龙、闫青等现场出席。