2023年度国家自然科学奖----中国科学院物理研究所

拓扑电子态及其材料研究是近年来凝聚态物理领域快速发展起来的一个重要前沿方向，极大地扩展了人们对物态本质的认知，丰富且新奇的拓扑物性也为新型功能器件应用奠定了科学和材料基础。该领域在短短十余年内快速发展起来，得益于罕见且独特的发展模式，即计算预测发现材料，而后被实验证实。项目团队在这一历史性发展过程中做出了突破性且决定性的贡献。该团队通过发展特色的计算方法，计算预测成功发现了量子反常霍尔效应绝缘体、拓扑狄拉克半金属、拓扑外尔半金属等若干重要的拓扑电子材料体系，推动了近年来拓扑电子态研究领域的跨越式发展，也使得我国在该研究领域站在了国际最前列。他们取得的原创性突破，被国际学术界高度认可，多次获得国际国内荣誉和奖励，并实现了一种从计算预测到实验验证的研究新范式。

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主要成果包括：

1.计算预测成功发现了首个量子反常霍尔效应绝缘体。

量子反常霍尔效应绝缘体是一类最基本且最重要的二维拓扑电子体系，其实现需要⾮常苛刻的条件，是近年来该领域追求的重要科学目标之一。该团队在深入计算研究的基础上，解决了拓扑绝缘体中铁磁序产生、非零陈数实现等关键问题，提出了量子反常霍尔效应绝缘体的具体方案和材料体系。随后国际上多个实验组据此在该材料体系中观测到了期待已久的量子反常霍尔效应，证实了理论预言。《Science》以“完整的量子霍尔三重奏”为题报道，指出了“理论预⾔磁性掺杂拓扑绝缘体制备成膜薄时具有量子反常霍尔效应---这是Chang等成功实现的方案”。

2.计算预测成功发现了首个拓扑狄拉克半金属和首个外尔半金属。

拓扑外尔半金属是三维金属系统中最基本且最重要的一类拓扑电子体系。该团队首先计算发现了拓扑狄拉克半金属Na3Bi和Cd3As2并被实验证实，成为拓扑半金属的第一个例子。随后他们计算发现了TaAs家族外尔半金属并被实验证实，首次在晶体材料中实现了“手性”电子态---外尔费米子。该成果获得⾼度国际认可，入选英国物理学会评选的《物理世界》2015年十大突破、美国物理学会评选的2015年⼋大亮点工作，并入选美国《物理评论》系列期刊125周年纪念论文集，是收录的49项重要科学成果中唯一来自中国的工作。

3.提出并实现了判别拓扑性质的普适计算方法。

提出并实现了基于⾮阿贝尔贝里联络的拓扑不变量计算方法，避免了规范选取的困难，成为计算判定材料拓扑类别的强有力的重要方法。该方法被广泛采用，并已发展成为研究拓扑性质的标准计算方法。

该系列研究为凝聚态物理发展提供了一种新的研究范式，即通过计算研究来推动实验进展。计算研究能够从浩如烟海的化合物中迅速筛选出最具潜力的材料，从而加速了新物态和新材料的发现。5篇代表论文被他引6675次，其中4篇的单篇他引超过1000次。成果入选中国科学院十二五25项重大标志性成果，并两次获得中国科学院杰出科技成就奖（2011年和2018年）。项目成员曾获国际理论物理中⼼ICTP奖、全球华⼈物理学会亚洲成就奖、何梁何利科技进步奖、美国物理学会James C.McGroddy新材料奖等。

代表论文：

1. Rui Yu et al., Quantized Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulators. Scince 329, 61 (2010).

2. Hongming Weng et al., Weyl Semimetal Phase in Noncentrosymmetric Transition-Metal Monophosphides. Phys Rev.X 5, 011029 (2015).

3. Zhijun Wang et al., Dirac semimetal and topological phase transitions in A3Bi ( A = Na , K, Rb). Phys Rev.B 85, 195320 (2012).

4. Zhijun Wang et al., Three-dimensional Dirac semimetal and quantum transport in Cd3As2. Phys. Rev. B 88, 125427 (2013).

5. Rui Yu et al., Equivalent expression of Z2 topological invariant for band insulators using the non-Abelian Berry connection. Phys. Rev. B 84, 075119 (2011).

拓扑物态研究领域重大突破这个团队获国家自然科学奖一等奖

国家自然科学奖一等奖拓扑电子材料计算预测站在国际最前沿

研究团队介绍

方忠

1970年生于湖北，理论物理学家，中国科学院物理研究所研究员。1991年毕业于华中理工大学物理系，1996年获该校博士学位。1996年至2003年，访问日本工业技术研究院（筑波）、美国橡树岭国家实验室。2003年回国在中国科学院物理研究所工作，现任所长、博士生导师。2004年获得国家杰出青年科学基金，2011年当选美国物理学会会士（APS Fellow），2019年当选为中国科学院院士。他着重于凝聚态物质中新奇量子现象的计算与理论研究，利用大规模并行计算机，通过计算和模拟的手段来探索微观系统的物理规律，研究新奇量子现象，预测新型量子材料，在自旋-轨道物理，特别是拓扑电子态理论和计算方面做出了重要工作，计算预言了若干重要的拓扑量子效应和和量子材料，并被实验证实，迄今共发表SCI论文200余篇，被引5万余次，2014年起连续十年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。方忠曾获国际理论物理中心ICTP奖、全球华人物理学会亚洲成就奖、国家自然科学一等奖、中国科学院杰出科技成就奖、求是杰出科技成就集体奖、周培源物理奖、周光召基础科学奖、全国先进工作者、何梁何利科学与技术进步奖等。

戴希

1971年7月出生于浙江杭州，理论物理学家，香港科技大学物理学系讲座教授。1989～1996年就读于浙江大学，先后获得工学学士、理学硕士学位。1999年获得中国科学院理论物理研究所理学博士学位，随后前往香港科技大学从事博士后研究；2001年至2004年先后在美国波士顿学院和新泽西州立罗格斯大学物理系从事博士后研究工作；2004年进入香港大学物理系工作；2007年回到中国科学院物理研究所工作，担任研究员、博士生导师；2009年担任北京凝聚态物理国家实验室副主任；2011年获得国家杰出青年科学基金资助；2017年进入香港科技大学工作，担任教授；2018年任香港科技大学讲座教授；2023年获得第二期新基石研究员项目资助。戴希一直从事强关联电子材料、计算材料科学、量子磁学、超导体和非常规超导体方面的研究，迄今共发表SCI论文200余篇，被引5万余次，2014年起连续十年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。戴希曾获中国科学院青年科学家奖，全球华人物理学会亚洲杰出科技成就奖，周光召基础科学奖，周培源物理奖，美国物理学会会士，美国物理学会James C. McGroddy新材料奖等。

翁红明

1977年出生于江苏泰兴，理论物理学家，中国科学院物理研究所研究员。1996～2005年就读于南京大学，先后获理学学士学位和博士学位。2005～2010年在日本留学，先后在金属材料研究所、产业技术综合研究所、日本北陆先端科学技术大学院大学等地任博士后、访问学者和助理教授等职。2010起在中国科学院物理研究所工作，任副研究员，研究员等。翁红明主要从事计算凝聚态物理方向的研究工作，一方面致力于计算方法和程序的开发，另一方面着重于凝聚态物质中新奇量子现象的计算研究，包括稀磁半导体，有机磁体，拓扑材料，磁光效应，非线性光学效应等。迄今共发表SCI论文200余篇，被引用27000余次，2018起连续六年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。翁红明曾获得日本学术振兴会奖学金，国家自然科学基金委优秀青年基金，日本仁科亚洲奖，中国科学院青年科学家奖，科技创新领军人才，国家自然科学基金委杰出青年基金，美国物理学会杰出审稿人，科学探索奖等。

余睿

1983年出生于湖北利川。2001～2005年就读于华中科技大学电子科学与技术系，获工学学士学位。2005～2011年在中国科学院物理研究所攻读博士，获理学博士学位。2011～2015先后在香港大学物理与天文系，日本物质材料研究机构任博士后。2016年起在武汉大学工作，任物理科学与技术学院教授。余睿主要从事计算凝聚态物理方向的研究工作，一方面致力于计算方法和程序的开发，着重于凝聚态物质中新奇量子现象的计算研究。另一方面开展了新奇拓扑物性在人工系统，如电子线路中的实现以及应用等方面的研究。迄今共发表SCI论文50余篇，被引用8000余次，曾获得中国科学院百篇优博，国家级青年人才计划等支持。

王志俊

1986年出生于湖北，理论物理学家，中国科学院物理研究所研究员。2009年本科毕业于中南大学；2014年获得中国科学院物理研究所理学博士学位；2014年至2018年在美国普林斯顿大学物理系从事博士后研究工作；2018年回到中国科学院物理研究所工作，担任博士生导师，现任研究员。王志俊主要从事计算凝聚态物理方向的研究工作，发展拓扑物态理论及其材料计算方法，挖掘新型拓扑量子材料及其新奇物性，涉及磁性、关联、超导等材料。曾先后成功计算预言了三维狄拉克材料Na₃Bi和Cd₃As₂，本征拓扑超导Fe(Se,Te)，沙漏费米子KHgSb，新型费米子CoSi和关联外尔半金属(TaSe₄)₂I等，迄今共发表SCI论文100余篇，被引用2万余次，个人H因子53。2019起连续五年入选科睿唯安“全球高被引科学家”物理领域榜单。相关成果“最新研究表明自然界中约24%的材料可能具有拓扑结构”入选两院院士评选的“2019年度中国十大科技进展新闻”之一，2020年获得国际纯粹物理与应用物理联合会颁发的“计算物理青年科学家奖”，2021年入选达摩院“青橙学者”。