相变边界上的临界拓扑现象（艺术化示意图）

近日，中国科学技术大学蒋建华教授团队联合香港大学、宁波东方理工大学、苏州大学等单位，在拓扑物理研究领域取得新突破：利用声子晶体实验平台，首次观测并表征了临界拓扑物态，证明无能隙的临界状态同样可以具有明确的拓扑特性。相关成果于10月7日发表在国际学术期刊《自然》上。

10月12日，论文共同通讯作者、中国科大苏州高等研究院教授蒋建华接受本报记者专访，讲述这一发现背后的科研历程。从一度面临放弃的实验方法，到清晨突然出现的研究灵感，再到最终获得关键实验证据，这项研究经历了数年的探索。

无能隙状态下，首次观测到临界拓扑物态

“其实一切都起源于我们对物质状态，以及状态之间转变的理解。”谈起这次研究，蒋建华先聊起了水。常压下，水在0℃结冰，在100℃沸腾，这些都是人们熟悉的物质状态变化，在物理学中被称为“相变”。但随着现代物理学的发展，科学家发现，物质的状态远不止固态、液态和气态这些肉眼可见的区别。

“有些状态从表面看没有任何变化，但它们的物理性质已经发生了非常深刻的变化。”蒋建华说，其中一种，就是拓扑物态。

要理解它，不妨想象一块内部不导电、边缘却能够导电的特殊材料。量子霍尔效应便是典型例子，在特定条件下，电子难以在材料内部自由传输，却能够沿着边缘运动。这种特殊性质与系统整体的量子拓扑特性有关。我国科学家薛其坤院士发现的量子反常霍尔效应是量子霍尔效应一种独特成员，对于理解和认识量子霍尔效应具有重要的意义和价值。

过去物理学家通常认为，这类拓扑物态需要一个重要条件：能隙。可以把它理解为不同能量状态之间的一段间隔，为相关拓扑性质的稳定存在提供保障。然而，当物质发生某些连续相变、到达临界状态时，能隙往往会关闭。于是，一个长期存在的问题摆在科学家面前：如果没有能隙，拓扑性质还能不能存在？

蒋建华曾打过一个比方，过去认为一座水库需要堤坝，才能维持水流的特定规律。一旦堤坝消失，水流失去约束，原来的规律似乎也就难以维持。但此次研究发现，即使“堤坝”不在了，系统依然可能保留特殊的拓扑性质。

事实上，此前已有理论物理学家提出类似猜想，只是长期缺乏实验验证。“我们这次的发现，通过实验实实在在地证明了在相变的时候也是可以有拓扑的。”蒋建华说。

此次实验还发现，拓扑性质的变化能够引发多重临界现象。这意味着，拓扑不仅可以用来区分某些物质状态，也可能成为理解相变过程的一项重要指标。

一个清晨，让险些放弃的实验迎来转机

这项研究并不是一开始就奔着“临界拓扑物态”去的。回忆整个过程，蒋建华说，事情的发展与外界想象的有些不同。

大约四年前，他和团队开始探索一套新的实验方法，希望通过测量纠缠熵和纠缠谱，更好地研究物质的拓扑特性。简单来说，纠缠谱能够反映系统内部的某些关联信息，为研究那些难以直接观察的物理性质提供线索。

然而，最初的尝试并不顺利。“中间遇到了巨大的困难，一度想要放弃。”蒋建华回忆，让他至今记得的是一个清晨。那天早上醒来时，他突然想到了一种巧妙的解决办法，原本困扰团队的问题有了新的处理思路，后续实验也逐渐顺畅起来。

2024年，团队将相关研究成果发表在《自然-通讯》上。当时，这套方法主要用于表征常规的有能隙拓扑系统。直到两年多前，合作者余雪佳提出，无能隙拓扑态对于理解相变与拓扑之间的关系具有重要价值，团队才进一步意识到，手头已有的实验方法或许能够解决一个更具挑战性的问题。

“我们很快明白了这是一个非常有意义的方向，其中很重要的一些挑战都还没有解决。”蒋建华说。随后，团队从一维模型入手，逐步验证相关理论。而真正费工夫的，是将研究推进到二维系统。蒋建华特别提到了学生林志康，为了完成这一步，他花费了很长时间设计模型、构建实验系统。经过复杂而细致的测量，团队最终获得了二维临界拓扑的实验证据。

更有意思的是，研究人员使用的实验装置，竟然可以通过3D打印制造出来。

团队利用树脂材料制作人工声子晶体，通过精心设计的结构控制声波传播，再借助经典波动系统与量子模型之间的对应关系，模拟相关物理性质。也就是说，他们不是直接在真实量子材料中寻找这种状态，而是搭建了一套能够呈现关键物理特征的声学模拟系统。

如何在常规方法失效的时候寻找拓扑性质？蒋建华此前曾用过一个形象的比喻：看不清黑暗房间里的物体，可以通过它投下的影子反推模样。纠缠谱就像这样的“影子探测工具”，帮助研究人员捕捉传统方法难以识别的拓扑信号。

“我们走得更远、更彻底。”蒋建华认为，此次研究通过经典波动之间的关联，模拟量子系统中的相关性质，进一步拓展了经典系统模拟量子物理的实验方法。

“这是一个非常有物理美感的时刻”

“这项研究做出来之后，我觉得非常美妙和叹为观止。”让他印象深刻的，不仅是复杂实验最终与理论取得了良好的对应，还有论文审稿过程中的一场讨论。当时，团队需要进一步解释，为什么经典声波系统的实验结果能够用于研究相关量子物理问题。

蒋建华回忆，正是在与审稿人的讨论中，进一步提炼出了经典-量子对应关系在这项研究中的核心作用，也让整篇论文的物理逻辑更加清晰。“这个结论写下来的时候，觉得是一个非常激动人心、非常有物理美感的时刻。”

此次论文的共同第一作者为林志康、王立威和孔泽霖，共同通讯作者为蒋建华教授、香港大学张霜教授和宁波东方理工大学余雪佳教授。浙江大学林海青院士、香港大学周尧博士等也参与了相关研究工作。

对于普通人来说，可能更关心的是：这样一项基础物理发现，未来能用在哪里？

蒋建华介绍，除了帮助科学家重新认识相变与拓扑之间的关系，这项研究还涉及一种特殊现象——“连续谱中的拓扑局域态”。在特定条件下，原本可能向外传播的波动状态，可以保持局域化。这为光学和声学器件设计提供了新的研究思路。

目前，团队正在探索相关机制在集成光子学和光电子学中的应用，尤其关注能否改善激光器的性能。

“有可能提升激光器的性能，从而实现一些常规情况下难以实现的高性能激光器。”蒋建华说，例如未来有望探索兼顾较高输出功率和良好光束准直性的激光器，相关研究可能为光通信、传感器、激光雷达乃至星地通信提供新的技术思路。

当然，这些仍处于探索阶段。从实验验证一种物理现象，到真正用于器件研发，还有不少问题需要解决。

对于蒋建华和合作者来说，论文发表并不是研究的终点。接下来，他们还将继续探索这种特殊拓扑性质在其他系统中的表现，以及它在光学器件等领域的实际应用可能。

合报深一度融媒体工作室

合肥晚报-合新闻记者 王书浒

(图片由受访者提供)

来源：合肥晚报 2026年10月13日

原文链接：https://newspaper.hf365.com/hfwb/pc/content/202610/13/content_574218.html