近日，2013级物理伯苓班毕业生刘癸庚（现南洋理工大学博士研究生）及其合作者在拓扑物理学领域实现突破，宣告了首个三维陈绝缘体的实验发现。相关成果以“Topological Chern vectors in three-dimensional photonic crystals”为题发表于国际顶级期刊《Nature》。
拓扑物理学是研究材料的本征态在动量空间中拓扑性质的一门学科。它起源于上个世纪80年代量子霍尔效应的发现，其相关成果曾三次获得诺贝尔物理学奖。在拓扑物理中，陈绝缘体是极其重要的一种基础拓扑态。陈绝缘体的拓扑性质是用陈数来描述，而陈数则是由南开著名校友陈省身先生在数学拓扑中创造的概念。二维陈绝缘体在凝聚态物理中即表现为二维量子反常霍尔效应，已经在2013年被清华大学薛其坤院士团队发现。之后，将陈绝缘体从二维拓展到三维体系则是下一个重要目标，尽管被无数理论工作所预测，三维陈绝缘体尚未在任何体系被发现。
在本项工作中，刘癸庚和他的合作者们在三维磁性光子晶体首次实现了三维陈绝缘体。借助于光学体系的优异特性，他们发现了三维陈绝缘体的一系列新颖特征。首先，三维陈绝缘体可以与理想外尔半金属发生相互相变。外尔半金属是近几年材料科学领域另一重大发现，这项工作首次在实验上揭示了三维拓扑绝缘体与拓扑半金属之间的联系。其次，他们发现三维陈绝缘体的表面拥有二维手性表面态。这种表面态能够沿着某一方向保持单向传播，即使遇到障碍物也能轻松绕过且没有任何反射。最后，三维陈绝缘体的表面态能够在动量空间中形成复杂的纽结或者链环，首次揭示了纽结理论与拓扑物理的内在联系。
图1 三维陈绝缘体的表面态在表面布里渊区形成链环
这项工作的第一作者为刘癸庚。他于2013年至2017年在南开大学物理伯苓班学习。他曾在王慧田教授和涂成厚教授课题组从事科研训练，期间以第一作者发表多篇学术论文。在物理伯苓班全额资助下，曾前往美国中佛罗里达大学从事近一年的科研实习。之后，他前往南洋理工大学攻读博士学位，短短数年间以第一作者或通讯作者身份在Nature, Nat. Commun., Phys. Rev. Lett. (3篇)， Light Sci. Appl.等国际顶级期刊发表多项研究成果。“物理伯苓班的学习培养了我良好的科学素养，为我之后的科学研究打下了坚实的基础。”刘癸庚回忆说。同时，他鼓励更多年轻学子进入伯苓班学习，积极参与科研训练。
南开大学物理科学学院物理学基地作为首批入选基础学科拔尖学生培养计划1.0和2.0的建设单位，一直以来以“教研一体、确固不拔、仰高钻尖”的理念为牵引深化学生科研能力的培养，在课堂教学传授知识的同时引入学术能力培养，形成了具有南开特色的“教研一体”的学术能力培养课程体系，即通过物理学术竞赛的接驳作用寓教于乐的衔接大中学教育，通过《物理研讨》和《科研训练》系列核心课程对学生的基本学术能力和规范进行培训并在科研导师的指导下开展高质量科学研究活动。同时，本科生课外创新项目、境内外短期访学、海外科研实习、今日物理讲座、服务学习等实践活动与核心课程并行并重，有效强化本科生的知识结构和能力水平。经过十余年的发展，物理伯苓班构建了在智慧教育中通过核心课程引领、学术活动支撑、有效教学评鉴和反馈相联系的闭环教育设计方案，锻造学生“确固不拔”的理想信念，“仰高钻尖”的科研精神。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05077-2
(余华供稿）
