2016年的诺贝尔物理学奖授予了美国华盛顿大学的DavidJ. Thouless等三位教授，以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。拓扑相变，看到这四个字，就可能让很多非科学人士停下阅读的脚步。究竟什么是拓扑相变，这项研究对人类的生活意味着什么，中国在这方面的研究又如何呢？

拓扑是一个数学上的名词，它研究的是那些“不连续”的特征，例如没有洞的肉桂卷、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面—在拓扑上，这几种结构是完全不一样的，即洞的数量不同。原来科学家一致认为对于很薄的物质，分子的随机运动会让它陷入无序之中，即不会存在“相变”（相指物质的形态，例如：固态、液态、气态；变指变化。相变指物态的变化，例如冰变成了水）。但在20世纪70年代早期，迈克尔·科斯特里兹和大卫·索雷思推翻了这一观点，他们认为，在温度足够低的条件下，很薄的物质也是会发生“相变”的。他们将自己证明的“相变”，称之为“拓扑相变”，因为这用到了拓扑学来描述。将拓扑学概念应用到物理学，这对后来的发现起到了决定性作用。在过去10年里，这一领域的研究促进了凝聚态物理研究的前沿发展，人们不仅仅对拓扑材料能够在新一代电子器件和超导体中产生应用抱有希望，而且看好其在未来量子计算机方面的应用，这将给未来的计算机发展带来翻天覆地的变化。

在拓扑材料及其物理性质的研究方面，中国科学家也走在了前列：

2010年，中科院物理所方忠研究团队率先在拓扑材料的理论和材料设计方面取得了突破，被《科学》杂志称作“实现量子反常霍尔效应的最佳体系”。

2013年，中科院物理所方忠研究团队与清华大学薛其坤研究团队合作在极低温输运测量装置上观测到了“量子反常霍尔效应”。其研究成果发表于美国《科学》杂志。

2014年，物理所研究团队首次发现“三维石墨烯”，向实现真正分离的“手性”电子迈出了关键的一步。同年，方忠研究团队首次预言在TaAs、TaP、NbAs和NbP等材料体系中可打破中心对称的保护，实现两种“手性”电子的分离，即外尔电子态。

2015年物理所实验团队率先制备出具有原子级平整表面的大块TaAs晶体，首次得到了外尔半金属材料的角分辨光电子能谱，直接观测到了表面的“费米弧”，即外尔费米子存在的证据，使得外尔费米子80多年后第一次展现在科学家面前。

这一发现是国际上物理学研究的一项重要科学突破，对“拓扑电子学”等颠覆性技术的出现具有非常重要的意义。该项成果从理论预言到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。英国皇家化学学会的Chemistry World、英国物理学会下属的《物理世界》杂志等都进行了专题报道。“发现外尔半金属”研究入选英国《物理世界》“2015年度十大突破”、美国物理学会2015年物理学“标志性进展”以及科技部公布的2015年度中国科学十大进展。

未来，希望中国科学家团队在拓扑材料的应用方面能继续走在国际的最前列，在低能耗、多功能器件研发，量子计算机研发方面取得突破。

（作者单位：中国科学院物理研究所）