拓扑绝缘体
拓扑绝缘体是一类新奇的量子物态，不同于传统意义上的金属或绝缘体。它的体态是有能隙的半导体/绝缘体，表面则表现为没有能隙的金属态。
这种完全由材料体态电子结构的拓扑性质所决定的表面态，由于受到对称性的保护，基本不受杂质或无序的影响，非常稳定。
因此，拓扑绝缘体有望从根本上解决现有电子技术的难题，带动产业技术的革命。
中国科学院物理研究所的研究人员很早就介入到拓扑绝缘体的研究中，与几个国际著名小组一起并肩站在该领域的国际前沿，并在很大程度上引领了世界潮流。
研究人员首次通过理论计算预言了新型的第二代拓扑绝缘体材料体系Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3，这是人类首次发现可在室温下存在的三维强拓扑绝缘体，并且其体能隙达到了0.3eV的量级，完全可能用于现有电子学技术。
随后，研究人员首次实验制备了高质量的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3的外延单晶薄膜，并利用STM、ARPES等先进手段观测到了该拓扑绝缘体表面态的螺旋状自旋结构，该拓扑绝缘体的三维电子态到二维电子态的演化及表面态的朗道能级及量子震荡行为。随后又利用高压手段观察到了拓扑绝缘体中的超导态，使得拓扑超导体的实现成为可能。
此外，在未知类型的拓扑有序量子态的探索方面，中科院物理所的研究人员取得了重要进展，从理论上预言了一类新的没有时间反演对称性的拓扑绝缘体——磁性拓扑绝缘体。
沿着这一方向，中科院物理所理论计算先行、紧密结合实验研究，在《科学》《自然·物理学》《物理评论快报》《应用物理快报》等高端期刊发表文章30余篇，关键文献在一年内单篇被引用超过100次，直接引发了目前国际上对拓扑绝缘体的研究热潮。
在该领域的研究方面，一支强有力的“理论+计算+实验”的研究队伍已经形成，并极大地推动了国内外相关领域的发展。相关研究团队成员于2011年分别获得“求是杰出科技成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”。
量子反常霍尔效应
量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。
1980年，德国科学家Klitzing发现了“整数量子霍尔效应”，并于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华人物理学家崔琦（Daniel CheeTsui）和美国物理学家Horst L. Stormer等又发现了“分数量子霍尔效应”，并由美国物理学家Rober B. Laughlin给出理论解释，他们三人分享了1998年的诺贝尔物理学奖。
在量子霍尔效应家族里，一个长期未被发现的是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。
“量子反常霍尔效应”与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，它是一种全新的量子效应；同时它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。因此，如何使其现身并在实验上观测得到，成为多年来物理学家探索的重要难题之一。
2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与美籍华人物理学家张首晟等合作，从理论上提出Cr或Fe磁性离子掺杂的拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。
该发现引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室都争相沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。
然而，在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”并非易事。它对材料生长和输运测量都提出了非常苛刻的要求：材料必须具有铁磁长程有序；铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转，从而导致拓扑非平庸的带结构；同时体内的载流子浓度必须尽可能的低。
德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这三点，而未取得最后的成功。
2013年，中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队开始进行合作攻关。他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”，在这场国际竞争中显示出了雄厚的实力。
这是国际上该领域的一项重要科学突破，从理论研究到实验观测的全过程都是由我国科学家独立完成。美国《科学》杂志以“完整的量子霍尔三重奏”（The Complete Quantum Hall Trio）为题进行了报道。■