拓扑量子材料，如拓扑绝缘体、拓扑超导体等的相继发现激发了凝聚态物理和材料科学领域对新型拓扑物态的广泛关注。拓扑物态不依赖于材料的具体细节，对普通的杂质、缺陷和无序具有很高的鲁棒性，理论上可实现能量和信息的无损耗传播，使其在微电子器件、自旋器件、量子计算等领域有广泛的应用前景。与此同时，拓扑态也被广泛延伸到光子晶体、声子晶体、电路、超材料等系统中，有望大大推动微电子、量子信息、新能源等产业的发展和变革。2022年2-4月，北京航空航天大学杭州创新研究院（余杭）新型量子物态团队在新型拓扑量子物态的理论设计方面发表了系列研究成果。

研究工作进展和意义

探索和实现新奇量子物态是凝聚态物理发展的核心方向之一。新型量子物态团队通过理论计算，设计了多种拓扑电路和低维量子材料。主要成果介绍如下：首先，基于二维六角晶格，理论设计了多轨道拓扑电路，观察到了由混合电压产生的量子自旋霍尔（QSH）态和自旋分辨的拓扑边界态，通过负阻抗转换器（NIC）破缺时间反演对称性，实现了量子反常霍尔（QAH）态和单自旋手性边界态；其次，基于二聚化的Kitaev链，设计了拓扑超导电路，通过两组电感模拟正、反粒子，实现了类马约拉纳端点态，且观察到了波包的非局域传播；最后，通过将紧束缚模型与第一性原理计算相结合，系统研究了多轨道的二维六角晶格与三角晶格之间的能带演化以及拓扑相变，以二维功能化锡烯为例，实现了量子反常霍尔效应。

图1基于二维六角晶格的多轨道拓扑电路

图2基于二聚化的Kitaev链的拓扑超导电路

图3具有畴壁的有限LC链的场强分布图，实现了马约拉纳分裂

值得一提的是，该研究设计的拓扑电路相较于传统电路，对于误差具有良好的鲁棒性，可以在很小尺寸的电路中实现拓扑态，这对于未来拓扑电路的实际研究和应用有重要的指导意义。同时，多轨道能带演化与拓扑相变的研究，为电子材料的结构-性质关系提供了基本思路，为未来设计和制备新型电子/自旋电子器件、量子计算提供了重要指导。

上述工作主要由周苗教授指导的本科生姚俊杰和博士生郝夏敏完成，相关研究成果发表在专业物理领域的国际知名期刊New J. Phys.（论文链接：https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac6230），Nano Futures（论文链接：https://doi.org/10.1088/2399-1984/ac5cd2）, J. Phys.: Condens. Matter（论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac6473），New J. Phys.（论文链接：https://doi.org/10.1088/1367-2630/abae88）上。其中，姚俊杰同学获得了第十七届挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖，第十一届挑战杯首都大学生课外学术科技作品竞赛特等奖，北航沈元奖章等多个奖项和荣誉称号。

新型量子物态平台介绍（https://zfau.cn/info/1027/1448.htm）

新型量子物态平台聚焦国际物理学前沿，围绕国家战略需求，主要面向新型量子物态、极端条件物理、材料表/界面等研究方向，总体目标是在物理规范、新奇物态、调控方法、探测手段等方面取得重要创新，在拓扑、低维材料等前沿方向实现结构设计、材料制备、原型器件的重大突破，催生更多引领科学前沿的原创性成果。主要研究方向包括：

（1）材料物理的多尺度理论计算：利用多尺度理论计算方法研究凝聚态物质和材料的物理化学性质，特别是新型量子材料、功能材料/核材料表界面的结构、力学、热学、电学、磁学、光学、拓扑、输运、抗辐照等性能。包含了紧束缚近似、第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛、有限元/相场，连续模型，机器学习与人工智能。

（2）低维磁性、拓扑物态、人工微结构、原型器件、表征及输运特性：利用分子束外延、物理/化学气相沉积方法实现材料、结构的原子制造；利用原子力/扫描隧道显微镜等相关表征技术研究材料的结构、光、磁、电/热等性质；发展高精度测量方法，开展相变、动力学研究；实现从材料结构的观测到材料生长的操控。

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