你是否想過，我們手機、電腦里的芯片，未來可能不再依賴傳統半導體？一場源自凝聚態物理領域的變革，正在為下一代量子信息和電子技術繪制藍圖。7月8日，南京大學萬賢綱教授、唐峰教授、南京理工大學闞二軍教授、杜永平副教授以及華東師范大學段純剛教授等人憑借“拓撲半金屬理論和拓撲材料計算預測”成果，在該領域作出了開創性貢獻，獲得2025年度國家自然科學獎二等獎。

過去幾十年，科學家們發現了一類被稱為“拓撲物態”的奇特量子狀態，相關研究已斬獲三次諾貝爾物理學獎。傳統觀點認為，這種奇特性質只存在于絕緣體材料中，而金屬由于本身導電，被認為與之無緣。萬賢綱和合作者在2011年提出了一個大膽設想：在一種含有銥元素的復雜氧化物材料中，由于同時存在強自旋軌道耦合和電子關聯效應，這或許會產生意料之外的拓撲物態。經過系統的理論計算和模型分析，他們發現這種材料的電子行為可以用高能物理中的“外爾費米子方程”來描述。2011年，他們正式將這一全新量子物態命名為“外爾半金屬”。

這項工作打破了拓撲物態僅存在于絕緣體中的傳統認知，開啟了“拓撲半金屬”這一蓬勃發展的研究領域。該論文被《物理評論B》評選為創刊50周年的“里程碑”論文，評語明確指出“提出了一種新的量子物態”。截至目前，該成果已被國內外學者引用超過5600次，其中包括多位諾貝爾獎得主、美國科學院院士和中國科學院院士的引用。這一概念還被拓展到光學、聲學、冷原子等多個學科領域，引發了國際持續研究熱潮。

發現新物態只是第一步，找到真正能用的材料同樣關鍵。傳統方法判定材料拓撲性質涉及復雜的計算和波函數“規范選取”難題，效率低下，導致人們曾長期認為拓撲材料非常稀少。萬賢綱團隊從對稱性這一基本物理性質出發，發展了一套全新的高效判定方法，成功規避了以往的計算瓶頸。利用這一方法，他們對已知非磁晶體材料進行了系統“篩查”，最終預測出超過一萬種拓撲材料，并建立了免費開放的拓撲材料數據庫，供全球科學家使用。

這項成果被學界評價為“拓撲材料的寶庫”，有美國科學院院士指出，這一工作結束了逐個材料判斷拓撲屬性的時代，為量子材料分類帶來了一場革命。2019年，該成果與中國科學院物理研究所的平行工作一起入選“中國十大科技進展新聞”。

盡管拓撲材料距離日常生活還有一段距離，但它們的特殊電子態具有高度穩定、低能耗等特性，有望在未來被用于制造更高效、更穩定的電子器件和量子計算元件。這項基礎研究的突破，好比為未來技術儲備了核心“原料”和一張詳細的“藏寶圖”。項目第一完成人萬賢綱教授也因相關貢獻獲得了多個獎項和資助，并入選了美國物理學會會士。