“拓扑物理学有大量基础的内容要去构建，希望这件事由中国引导全世界来做。”
2023年度北京市科学技术奖11月19日正式公布。中国科学院院士、中国科学院物理研究所所长方忠荣获北京市突出贡献中关村奖，摘得北京科学技术最高奖桂冠。他的一系列研究工作推动了近年来拓扑量子物态研究领域的迅速发展，也推动我国该领域研究站在国际前沿。
在接受采访时，方忠表示，未来将和团队致力于构建拓扑物理学大厦这项有意义的工作。“这将有大量工作要做，我们希望这件事情由中国引导全世界来做，这是完全有可能的。”
方忠（右）工作照。中国科学院物理研究所供图
拓扑材料未来将助力电子产品“不发热”
突出贡献中关村奖旨在奖励在科学研究中取得重大发现，推动科学发展和社会进步，或者在关键核心技术研发中取得重大突破，创造巨大经济社会效益或生态环境效益的个人。
方忠是我国凝聚态物理领域专家，长期致力于拓扑物态计算研究。通过发展特色的计算方法，预测发现了Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3族三维拓扑绝缘体，推动了拓扑绝缘体领域的快速发展；计算提出了实现量子反常霍尔效应的材料体系和方案，并被实验证实，完成了霍尔效应量子化的三重奏；计算发现了两类拓扑半金属，即拓扑狄拉克半金属和外尔半金属，从而在晶体材料中实现了“手性”电子态——外尔费米子。这一系列工作推动了近年来拓扑量子物态研究领域的迅速发展，也推动我国该领域研究站在国际前沿。
今年6月，2023年度国家科学技术奖在北京揭晓。方忠及其团队在“拓扑电子材料计算预测”方面取得重要科学发现，荣获2023年度国家自然科学奖一等奖。
在解读其研究工作时，方忠说，物理界一直有一个主流观点，即所有物质的状态都可以用对称性来描述。对称性对应着守恒量，以往研究物质状态的一个重要手段，就是搞清楚它在这种状态下有哪些对称性。但如今，科学家发现，有些物质的状态无法用对称性来描述，需要用数学中的拓扑来描述，这就是方忠及其团队研究的拓扑物态。
“我们发现，拓扑物态并非个例，可能有成千上万种材料都具有拓扑性质，这完全颠覆了人们原来对物质世界的理解，拓展了我们对自然界物质状态认知的边界。”
他说，这项基础研究离应用还有较远的距离，但仍可以抱有期待。比如拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应绝缘体，它们都是拓扑材料，具有拓扑物态的奇妙性质，例如内部绝缘不导电，但边界允许电荷移动，边界导电的状态没有电阻，就不会发热，从而大大降低能耗，未来可以用这些材料制造更先进的电子器件。“一旦实现，这将是全新的颠覆性的技术途径，革新整个半导体的设计工艺。”
一些想读研的学生曾向方忠提出这样的疑问——物理学研究得差不多了，我要读研究生是不是晚了？没什么要继续研究了？“你们来得正是时候，现在的物理只研究了‘一半’，另外一半刚刚开始，就是拓扑物理学。”
方忠说，最近，他的团队通过计算的方式，研究了4万种无机材料，发现其中8000多种是拓扑材料。研究人员将这些材料分类，并做成拓扑材料词典。“我们更希望的是构建整个拓扑物理学的大厦。拓扑物理学有大量基础的内容要去构建，我们希望这件事情由中国引导全世界来做，我相信这是完全有可能的。”
科学家要有“好味觉”，能“品尝”出哪些是前沿研究
基础研究，往往给人以“枯燥”的印象。但方忠认为，那是因为人们没有认识到基础研究的美。
“一位优秀的科学家，判断力很重要，要有一个‘好味觉’，能够‘品尝’出哪些工作是真正的前沿研究，才能做出原创性的成果。这种‘味觉’是重要的科学素养之一。”方忠说，当可以辨别“美味”时，废寝忘食的研究过程虽然让人身体疲惫，但精神上非常幸福，乐在其中。
在他看来，并非让一个聪明的人在“冷板凳”上坐10年，就可以产出震惊世界的科技成果。科学家的工作状态不是按部就班式的，他们脑子里会一直装着、想着自己的科学问题，不管是在单位还是在家里。科学研究其实就是一直探索、努力思考的过程。
他描述了一个充满挑战的研究过程：在研究初期，科研人员往往不知道该往哪条路上走，每天要进行大量的思考、分析、讨论、计算。当一筹莫展时，一个平常的进展会让大家很兴奋，但惊喜有时候是昙花一现，好不容易解决了一个问题，可能第二天就会遇上新的难题。“惊喜一般都会被拍在沙滩上，最后能成功上岸的很少。”
谈及工作状态，方忠坦言，科学家的作息是无规律的，几乎没有完整的休息时间，正在研究的问题每天在脑海中挥之不去。可是一旦认识到基础研究的“美”，甘之如饴地享受这一过程就会顺理成章。
对于此次获奖，他表示，这个奖励也属于团队成员们，他为大家多年来的辛勤研究感到骄傲，“更高兴的是，国家和社会正逐步认识到基础研究的重要性，这对未来社会的发展至关重要。”
“一装置两平台”处于试运行阶段
作为中国科学院物理研究所所长，方忠在受访时也谈到了物理所在怀柔科学城建设的“一装置两平台”进展。
“一装置两平台”分别是综合极端条件实验装置和材料基因组研究平台、清洁能源材料测试诊断与研发平台。作为怀柔科学城第一批启动建设的大科学装置和交叉研究平台项目，它们于2017年启动建设，2022年完成验收，目前处于试运行阶段。
习近平总书记在全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上指出：“科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界。”
方忠说，综合极端条件实验装置可以研究材料在极端条件下是否有新的性能，扩展认知边界。目前装置7×24小时开放，全世界优秀的科学家都可以来申请机时。“我们有一个国际化的团队对申请作出评判和排序，这个装置对推动国际合作起到了非常重要的作用。”
他还介绍，材料基因组研究平台将带来新的科研范式变革，利用大规模计算机模拟，更快地设计出新材料，增强新材料研发能力。未来，这一平台将和综合极端条件实验装置配合，对物质科学起到推动作用。
清洁能源材料测试诊断与研发平台将基础研究与产业化紧密结合，推动新质生产力加快发展。
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