2024中国-新加坡物理学前沿学术研讨会顺利召开 2024年9月23日至25日，由浙江大学物理学院和微纳量子芯片与量子调控全省重点实验室主办的2024年中国-新加坡物理学前沿学术研讨会（2024 China-Singapore Joint Symposium on Research Frontiers in Physics）在浙江大学紫金港校区物理学院顺利召开。来自新加坡国立大学、新加坡南洋理工大学以及国内主要科研院校的约60名专家和学者汇聚一堂，聚焦物理学前沿科学问题的深入研讨。微纳量子芯片与量子调控全省重点实验室主任暨本次会议主席游建强教授主持开幕式，浙江大学物理学院常务副院长王孝群教授在开幕式致辞，介绍物理学院发展情况。此次研讨会是继2021年第16届中国-新加坡物理学前沿学术研讨会后举办的第17届研讨会，也是疫情以来举办的首场线下会议。在3天会期中，共有27个邀请报告，主题包括（1）凝聚态物理前沿研究；（2）原子、分子和光物理前沿研究；（3）量子物理与量子信息前沿研究；（4）物理学其它前沿领域。研讨会上，孙昌璞院士介绍了活性物质的量子模型，为量子物理与生命科学的交叉研究提供了新思路；新加坡国立大学OH Choo Hiap教授介绍了量子信息领域的新进展；林海青院士介绍了超导体研究的新进展；龚新高院士介绍了人工智能物理及其在材料逆向设计中的应用。本次会议是中国和新加坡等国学者聚焦物理学前沿研究的重要会议，将促进浙江大学以及中国物理学前沿研究的发展与国际交流，尤其将加强与新加坡相关大学同领域学者的合作研究。会议对培养我国青年学者和研究生具有重要意义。王孝群教授致辞孙昌璞院士作报告 OH Choo Hiap 教授作报告林海青院士作报告龚新高院士作报告会议合影

  近日，浙江大学物理学院曹光旱研究组联合中国科学院物理研究所程金光、周睿等多个研究组在笼目晶格材料研究中取得了重要进展。研究团队首次合成、表征了新型铬基笼目晶格反铁磁体CsCr3Sb5，并通过压力调控，在磁有序消失的临界点附近观察到超导电性。该结果为进一步探寻笼目晶格中的新颖量子态、理解非常规超导机理提供了崭新的研究平台。相关成果以“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”为题发表在《Nature》期刊上（原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07761-x DOI : 10.1038/s41586-024-07761-x）。     超导研究百余年来长盛不衰。早年发现，很多非磁元素金属及合金都是超导体（当代被称为常规超导体）。常规超导来源于电-声子耦合：超导体中传导电子借助晶格振动产生有效吸引，发生两两配对；配对电子（又称“库伯对”）同时发生相干、凝聚，形成一种宏观量子态—超导态。由于磁性元素往往拆散库伯对，因而磁性元素及其合金一般不会产生超导电性。上世纪70年代末至80年代，超导研究进入新的阶段。人们在包含有稀土磁性元素的“重费米子”化合物体系中观察到超导电性。一些含有Cu2+自旋的层状氧化物竟然具有比常规超导体高得多的超导临界温度（Tc），因之被称为“高温超导体”。2008年，人们又在含磁性铁元素的层状材料中发现了高温超导电性。这些新发现的“非常规超导体”中的传导电子是如何配对、凝聚从而产生超导电性的？这是当今凝聚态物理领域的重大研究课题。目前，已发现的非常规超导体系很有限（相比之下，常规超导体则数以千计）。探索并研究全新的、具有代表性的非常规超导材料体系对于解决非常规超导机理的重要性不言而喻。 理论预言在磁性三角（或六角）晶格体系中有可能实现非常规超导电性。笼目晶格是一种特殊的六角晶格。它一般具有几何阻挫、拓扑能带以及量子干涉效应等特征，近年来备受研究者关注。2019年钒基笼目晶格材料AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs)的发现引发了凝聚态物理领域的新一轮研究热潮。该材料展现出超导电性、“非常规”电荷密度波、“反常”霍尔效应、配对密度波、电子向列序和时间反演对称性破缺等令人眼花缭乱的呈展现象。然而，该体系的电子关联性较弱，其中的钒元素没有磁性。一般认为，其超导电性仍然是来源于常规的电-声子配对机制。     曹光旱研究团队经过长期实验摸索，通过大幅改变助溶剂配比，成功生长出铬基笼目结构CsCr3Sb5单晶。样品的电阻、磁化率、比热以及核磁共振等测量分析表明该新材料是一种强关联“坏金属”（类似于铁基超导体母体材料），具有自旋密度波（一种磁有序）转变，这些与上述钒基笼目体系显著不同。第一性原理计算表明，CsCr3Sb5的费米能很靠近量子干涉相消导致的平带，而钒基体系中的费米能则位于范霍夫奇点附近。图1 竹筐中的笼目图案(a)、铬基笼目材料的晶体照片(b)、CsCr3Sb5中的二维笼目晶格(c)以及铬基和钒基材料电子结构的比较(d)。     非常规超导体一般都具有与磁性相联系的普适电子相图。通过调节控制参量（化学掺杂、压力、电场等），磁有序可被逐渐压制，随之出现非常规超导电性。本工作揭示出铬基笼目晶格体系也具有类似的电子相图：通过施加压力，磁有序或密度波序被逐渐抑制，直至出现超导电性。值得一提的是，最高Tc (6.4 K)出现在磁有序消失的压力点（亦被称为量子临界点，QCP）附近，此时的上临界磁场超过泡利顺磁极限。同时，高温正常态显示出非费米液体（或者叫做奇异金属）行为。此外，非常规超导体的另一显著特征是它的Tc/TF值（TF为费米温度）往往远高于常规超导体。的确，新发现的铬基笼目超导体CsCr3Sb5的Tc/TF估算值与典型非常规超导体相当。总之，该强关联磁性笼目体系展现出非常规超导体的许多共性特征，对它的深入研究将有助于解决非常规超导机理问题。图2 (a) 非常规超导体的普适电子相图示意图；(b) 铬基笼目超导体CsCr3Sb5的电子相图。  图3 常规超导体与非常规超导体按照超导转变温度Tc及费米温度TF的分布。铬基笼目超导体CsCr3Sb5的Tc/TF值与典型非常规超导体相当。     浙江大学/浙江工业大学刘艺博士、中国科学院物理研究所刘子儀副研究员、杭州师范大学/上海大学鲍金科副教授为论文的共同第一作者，中国科学院物理研究所周睿特聘研究员、程金光研究员以及浙江大学曹光旱教授为共同通讯作者。合作者还包括浙江大学研究生吉良雯、武思祺、柴万力、卢佳依、刘长超同学以及刘继永实验师、陶前博士、曹超教授、许祝安教授等，中国科学院物理研究所研究生申沁鑫同学、杨芃焘副主任工程师、罗军副研究员、杨杰副研究员、王铂森副研究员等，浙江工业大学许晓峰教授，西湖大学研究生杨武璋同学和任之研究员，湘潭大学蒋好博士，以及杭州师范大学徐陈超博士等。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省重点研发计划、中国科学院先导B专项和青年创新促进会项目的支持。论文中的高场核磁共振实验和高压物性测量是在国家重大科技基础设施-综合极端条件实验装置（SECUF）上完成的。

什么是拓扑？它是近代发展起来的一个数学分支。简单地说，拓扑就是研究有形的物体在连续变形下维持不变的整体性质。想象一下，有一个用橡皮泥做的甜甜圈，将它连续变形拉伸成带把手的咖啡杯。这两个形状在拓扑结构上，拥有共通属性，因为它们都有且只有一个“洞”。同理，从拓扑学来看，立方体和球体也具有相同的拓扑结构。从拓扑学到拓扑物态再到拓扑材料，近几十年来，拓扑学“跨界”到物理等多个学科，成为科学研究的一大热点。近日，浙江大学关联物质研究中心、物理学院研究员徐远锋与美国普林斯顿大学等多个国际团队合作，系统研究了晶体材料声子谱中的拓扑物态分类。通过理论分析和高通量计算，研究团队得到了一万多种晶体中声子谱的对称性特征和拓扑性质，并建立了拓扑声子材料数据库，为拓扑元素周期表增添了原子振动的信息。相关研究成果以Catalog of topological phonon materials为题于北京时间2024年5月10日在国际顶级期刊Science上发表。同时，加州大学洛杉矶分校的Prineha Narang教授在Science上撰写了评论性文章Topological phononics is cataloged，对该工作进行了解读。l  发现拓扑声子材料只能“撞大运”？拓扑绝缘体材料具有奇异的边缘导电通道性质，也就是说它不像常规绝缘体那样完全不导电，而是在材料内部不导电的同时又在表面能够导电，具有特定自由度的电子在材料表面单向“奔跑”。在对称性的保护下，反向运动的电子之间不会互相干扰，因此有望被应用于低功耗电子器件的设计和量子计算元器件的开发，并为新型能源材料和制造业的发展提供新思路。徐远锋长期从事拓扑物态理论和材料计算研究，近几年通过发展普适的理论方法主导完成了磁性拓扑电子材料和拓扑平带电子材料的分类和计算，相关工作分别于2020年和2022年发表在Nature上。“随着拓扑能带理论的快速发展，由晶体对称性保护的拓扑电子态得到了系统研究。在电子体系之外发现新型拓扑物态或‘准粒子’，探索拓扑物态与其它量子物态的内在联系已成为凝聚态物理领域的前沿热点之一。”徐远锋说。拓扑声子是拓扑材料领域近年来的后起之秀。与电子一样，固体材料中原子的振动模式（声子）也可以定义拓扑性质，拓扑声子材料的研究领域涵盖物理学、材料学、声学等多个领域，其应用前景也非常广阔。然而，在真实的三维晶体材料中发现拓扑声子还存在很大的偶然性，寻找过程异常艰难，至今新型的拓扑声子物态以及理想的拓扑声子材料依然十分匮乏。那么有没有一种方法，可以更加快速高效地找到理想的拓扑声子材料呢？“由于对晶体材料中声子谱的探测非常耗时耗力，如果没有成熟的理论和数值模拟作为支撑，光靠做实验来发现拓扑声子材料无异于大海捞针，我们希望能够借鉴拓扑电子态的相关理论方法来快速寻找拓扑声子体系。”徐远锋说。 图 SEQ 图 \* ARABIC 1高通量计算拓扑声子材料流程图与数据统计 l  一键穷尽所有拓扑声子类型声子是晶体材料中原子集体振动激发的能量准粒子。跟电子等费米子相比，声子不具有自旋自由度，如果要构建它的拓扑分类理论，可以参考无自旋-轨道耦合的电子系统。 顺着这个思路，徐远锋与美国普林斯顿大学B. Andrei Bernevig教授等多个国际团队合作，采用无自旋的拓扑量子化学理论结合高通量计算的方法，对一万多种晶体材料的声子谱进行了解析，通过计算得到了声子谱的对称性特征和拓扑性质，包括丰富的拓扑简并点或简并线、“脆拓扑”声子能带以及可类比电子共价键的“阻塞型拓扑”声子能带。经统计，超过一半的晶体材料中存在着不同类型的拓扑声子结构，这也向人们进一步展示了拓扑物态在声子体系中的普遍存在性。图 SEQ 图 \* ARABIC 2不同类型材料中的拓扑声子表面态 同时，团队还对所有材料的拓扑声子表面态进行了计算，并建立了拓扑声子材料数据库。打开这个数据库，在元素周期表上任选一个元素，点击后就会跳出数据库中包含这个元素的所有晶体材料，再次点击就可以轻松查询到相关材料详细的对称性和拓扑信息，从而快速找到适合实验的晶体材料。 图 SEQ 图 \* ARABIC 3拓扑声子材料数据库(https://www.topologicalquantumchemistry.fr/topophonons) 有了这样一个庞大的数据库和清晰的索引目录，拓扑声子材料的实验发现将变得有迹可循。目前团队已经提供了上百种理想拓扑声子候选材料，有效弥补了理想拓扑电子材料匮乏的现状，为后续拓扑声子的实验探测和应用提供理论支撑。“晶体材料中存在丰富的物理自由度，将电子和声子的自由度耦合起来有可能产生更有趣的新型拓扑物态和量子现象”，徐远锋对下一步工作计划进行了展望。 图 SEQ 图 \* ARABIC 4关联物质研究中心徐远锋（左二）课题组徐远锋研究员为论文的第一作者兼通讯作者，普林斯顿大学B. A. Bernevig教授、N. Regnault教授以及巴斯克大学L. Elcoro教授为共同通讯作者。该工作得到了国家基金委和浙江大学的资助。 论文DOI: 10.1126/science.adf8458