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【科学讲座】翁红明:拓扑半金属——新奇费米子的固体宇宙

图、文:包浩然

       2020年10月29日晚七点,中科院物理所研究员,博士生导师翁红明研究员在阶一五教室为同学们带来题为“拓扑半金属——新奇费米子的固体宇宙”的科学讲座。

       首先,翁老师简要介绍了凝聚态物理的含义及应用等。凝聚态物理主要研究大量相互作用粒子的状态和性质,发现新的物质形态,认识物态转变规律,并开发其物性和效应进行应用是凝聚态物理的主要研究内涵。

       凝聚态物理的研究重点是物质的物性。翁老师用碳作为例子,介绍了物质结构与物性之间复杂的关系。碳的足球烯结构为0维;碳纳米管为1维结构;石墨烯则为2维结构;三维结构为日常看见的石墨、碳黑、金刚石等。同样的元素不同的物质结构有着完全不同的性质。接着,翁老师介绍了电子能带与物性的关系。能隙大小决定了物质导电与否,电子自旋方向决定了磁性等。翁老师的研究方向便是通过第一性原理,从晶体结构和组分原子出发,,根据普适的量子力学原理,不通过经验参数直接建立求解电子的量子运动方程并得到电子及其固体的围观宏观性质。

       通过第一性原理,可以让材料学的研究从传统的实验探索跨越到计算机模拟和设计的层次。这大幅提高了实验的精度、速度和尺度。清晰的物理图形、丰富的材料经验和高效的计算工具三者配合可以为实验提供物质基础。加速材料发现。由此也提出了材料基因组的概念,通过大数据来从海量数据中探寻复杂关系

       接着,便进入到了拓扑材料学。翁老师简要介绍了拓扑学基础,让同学们了解到拓扑学基础概念如拓扑不变量,拓扑相变等。在凝聚态物理中,拓扑物态是一个新兴的学科,仅有30余年历史。当前焦点为寻找并发现新的拓扑态,探索并研究拓扑态的新奇物性,研究变革行应用技术。拓扑效应会导致整数量子霍尔效应等。由于拓扑不同会使得物体的体态绝缘而边缘有导电态。拓扑相变也就是在研究体-边界对应关系。随着研究的发展,人们发现了拓扑半金属。拓扑半金属分为狄拉克半金属和外尔半金属,当物质由中心对称体系时为狄拉克半金属,没有中心对称的外尔半金属。这两种金属的低能准粒子激发分别由狄拉克/外尔方程描述。外尔半金属的发现也被选为“物理评论”125周年纪念的49大发现之一,也是唯一中国主导的发现。

       最后,翁老师回答了同学有关不同自旋粒子组成的材料性质的问题等。讲座在同学们热烈的掌声中圆满结束。