物理世界“搭积木”：在氧化物中实现拓扑态的设计机制

近十五年来，探索物质的“拓扑态”是凝聚态物理学及材料学领域最热门的研究课题之一。深入理解拓扑现象或将推动量子计算技术领域取得突破变革。

近日，上海纽约大学物理学助理教授陈航晖和上海科技大学的李刚教授带领团队开展研究，发现在氧化物异质结材料中实现非平庸拓扑性质的理论机制。其研究成果发表于《npj 计算材料学》（npj Computational Materials）。

长期以来，物理学家一直在氧化物材料中探寻各种功能性物理性质，例如铁电、铁磁、超导等，因为这些有趣的物理现象或可带来广泛的应用前景。在茫茫的材料中寻找物理特性难度颇高且耗时耗力，堪比大海捞针，科学家们因而提出一套更加高效的方法——合成可具备所需物理特性的新材料，即“异质结”材料。

陈航晖教授解释说，构建异质结的过程可简单类比为“拼乐高积木”：将不同的材料层层堆叠。“把‘积木’A和‘积木’B拼在一起，组成一块新的‘积木’C，”他说，“这块新‘积木’展现出A和B都不具备的物理性质——这就是异质结材料的构建原理。”

陈航晖和李刚两位教授在本项研究中通力合作，发挥各自在氧化物材料和拓扑态物理领域的专长。团队通过第一性原理计算以及哈密顿模型分析，预测出在人工合成的(001) (AMO3)1/(AM’O3)1钙钛矿氧化物超晶格材料中，可出现强拓扑绝缘体及拓扑半金属。

(001) (AMO3)1/(AM’O3)1超晶格材料的晶体结构和电子结构

《npj 计算材料学》刊登研究成果时在编辑摘要中肯定该研究“为寻找复杂氧化物中的拓扑态提供了一种新颖可行的方法”。“我们目前从理论层面证实了这套设计的可行性，”陈航晖教授说，“希望在未来能够开展实验，进一步验证该理论机制。”

陈航晖教授和李刚教授是该篇研究论文的共同通讯作者。华东师范大学-上海纽约大学联合培养研究生专项（N.E.T.）物理电子学专业博士研究生刘芝伟和上海纽约大学数学与应用数学（数学）专业2023届本科生刘泓泉为本文的共同第一作者。其他作者包括上海纽约大学2021届校友马家骥和2022届校友王效轩。