搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第133期，对话理论物理学家，香港科技大学蒙民伟博士纳米科学教授兼物理系讲座教授戴希。
嘉宾简介：
最早找到的Bi2Se3、Bi2Te3材料都是对称性很高的，是性能最好的几类拓扑绝缘体之一。
在特定的研究领域，我国走在比较靠前的位置，但整体水平还是落后于国际先进水平的。
要主动寻找一些“离经叛道”的问题，开拓新的赛道、新的科研方向。
出品｜搜狐科技
作者｜周锦童
编辑｜杨 锦
近日，2025未来科学大奖揭晓，方忠、戴希、丁洪获“物质科学奖”，以表彰他们在拓扑电子材料的计算预测以及实验实现方面做出的贡献。
“做科研要保持‘平常心’，也要对未知世界保有好奇心，不断向前走，总有较大几率找到那颗珍贵的‘宝石’。”戴希在会后对搜狐科技等媒体如是说。
初见戴希，给人的第一印象是很乐观，也很幽默，似乎打破了理论物理学家的刻板印象。
谈及获奖，他坦言喜悦之余，更强调这项成果并非“从天而降”或“梦中灵感”，而是凝聚态物理发展的自然延续。他站在“巨人的肩膀上”，有幸做出了一点贡献。
AI是运动员，我们是教练
戴希首先回顾了这一研究发现的历程。
拓扑绝缘体的研究源于凝聚态物理理论的逐步发展，2000年左右，凝聚态物理中一个很大的研究热点就是自旋电子学，研究自旋和轨道的相互作用，比如怎么出现自旋流、自旋输运等现象。
后来，研究者们逐渐意识到：绝缘体中电子会被原子核紧紧束缚着，无法自由移动，既然电荷不流动，那么会不会出现自旋流动？这时，一些科学家意识到，或许有一些能带结构，可以用拓扑特性去表征，而具有拓扑特性的能带即使电子不会在体内流动，也会通过表面流动，从而贡献自旋流。
“这方面有很多理论性工作，对我们启发比较大的是张首晟和祁晓亮的研究，他们把能带结构做了最大程度的简化，考虑了一个对称性非常高的能带结构。对称性越高，模型中可变参数越少，刻画其拓扑性也就相对容易。”戴希解释道。
“我们做搜索的时候，先在理论上有了高对称性的模型，这样搜索的参数空间很小，大致可以知道一个材料的能带结构具有拓扑特性会长什么样子。这些特性指导我们去寻找可能的材料：最早找到的Bi2Se3、Bi2Te3材料都是对称性很高的三维强拓扑绝缘体，哪怕到现在也是性能最好的几类拓扑绝缘体之一。”
随后，戴希和团队从Bi2Se3、Bi2Te3这些比较高对称的拓扑绝缘体出发，把对称性慢慢降低，自然模型参数随之变得复杂。但凭借从简单系统积累的经验，他们成功应对了这些复杂的问题，最终完成了高通量的计算搜索。如今，已能找到数千种拓扑材料了。
要知道，尽管凝聚态理论预测了多种拓扑能带结构的存在，但在真实材料中发现这些结构犹如“大海捞针”。正是戴希和方忠发展出的这一整套计算方法，才使他们率先预测出一系列拓扑材料，包括拓扑绝缘体、量子反常霍尔材料、以及外尔半金属等。
他们建立的拓扑能带搜索方法，明确了计算步骤、特征提取要点及拓扑性判断依据，将这些完整信息交付AI后，AI便可完成整体搜索。
戴希说，他们相当于AI的教练，通过高效的方式教会AI这个“运动员”，让它去参加奥运会拿奖牌。
“到现在为止，AI的这些知识都是上千年的人类文明教会给它的，如果有一天AI能够根据现有的知识独立发展出新的理论，那人类文明就要进入下一个篇章了。”他笑着对搜狐科技说。
在铁基超导中发现马约拉纳零能模
当然，戴希团队的研究也遇到了许多难点。他称，最大的技术难题就如何从电子波函数中提取出拓扑特征来，固体中的电子波函数里包含大量的复杂信息，预测它的拓扑特性，就要从巨大的信息库里提取最有用的关键特征，而哪些特征是最关键的、如何提取，这些都是难点。
“研究中，我们发展了一套叫Wilson Loop的方法，这种计算能带数值的方法。可以将能带的问题转化为具有周期性边界条件的哈密顿量问题，从大量波函数信息中提取出关键特征，进而对材料的拓扑电子态做完整分类。”戴希介绍道。
为了更好地理解拓扑电子态，戴希还引用了MIT教授文小刚的比喻：电子移动时像在跳“华尔兹”，这种特殊的舞步每三拍转一圈。拓扑电子态分很多类型，比如拓扑绝缘体态、量子反常霍尔效应态等。
在量子反常霍尔效应态里面，陈数可以等于1、2或3。等于1时，相当于每三拍转一圈，等于2时，每三拍转两圈，转一圈有一圈的跳法，两圈有两圈的跳法。
此外，量子霍尔效应还需要在电子“跳舞”的过程中引入一个“指挥”，就是外磁场。而量子反常霍尔效应就是不需要“指挥”，电子也可以自发地“跳舞”，而且和有“指挥”时候跳的舞很类似。
除了理论启发，戴希也常从实验中获取灵感。实验发现一个无法解释的现象，他会通过分析实验数据，找到符合现象的理论解释。
这方面，他颇为得意的是与波士顿学院汪志强教授合作的“量子的反常磁通”。
这一现象最早由中国科学院物理所潘庶亨在STM实验中发现。铁基锡是一种非常好的铁基超导材料，但其中过量的铁会形成杂质，潘庶亨在杂质中观察到零能束缚态，超导态中出现这一现象，很可能是马约拉纳零能模。虽然他在2012年左右就看到了这一现象，但一直没有得到解释。
“这就像发生了谋杀案，一直找不到凶手，需要把‘嫌疑犯’都列出来，再一个一个排除。都排除掉后，剩下的哪怕再不可能，也是唯一的答案。所以我们就提出：铁杂质诱导出了磁通，在超导集成体中自发产生了一根磁通线，最后找到了‘凶手’，在铁基超导中发现了马约拉纳零能模。”戴希形象地比喻道。
要主动寻找“离经叛道”的问题
当被问及我国理论物理研究与国际先进水平的差距时，戴希表示：“特定研究领域中，我国有不少亮点工作，处于较领先位置，但整体水平仍落后于国际先进水平，还需继续努力。”
在他看来，美国每个细分领域都可以找到国际一流人才，有些人才甚至不在MIT、斯坦福这些耳熟能详的大学，在一些不知名的大学里也有“大牛”。而我国尽管在几个尖端的领域里比较领先，但人才储备仍有差距。
“一味的卷，是卷不出创造力的”。
戴希直言：“卷其实就是竞争激烈，必须在几个非常狭窄的赛道上努力，所以我们要开拓新赛道、新科研方向，这也符合我们学科发展大趋势。单纯集中在几个赛道上，也不见得能找到最优解。”
在他看来，如何鼓励年轻人开辟新领域，是出给管理部门的难题。从国内外科研环境看，这并不容易。“毕竟要发顶级期刊、要符合编辑口味，青年学者压力也是很大的。”
“每个人都是从年轻的时候过来的，我刚到物理所的时候，也感受过这种压力，确实需要在热门领域做工作，但过了那个阶段后，逐渐有了自己的研究成果和积累，站住脚了就可以考虑开辟新赛道了。”
“主动寻找‘离经叛道’的问题，虽然这些问题在传统理论框架里得不到解释，听起来好像又很反常，但往往能最大地激发我的研究兴趣。”戴希如是说。
谈及如何培养青少年的科学兴趣，他认为要给他们更多的自由，让其能够根据自己的兴趣去选择方向，而不是逼着他们报补习班、参加奥赛，把兴趣压缩在几个非常窄的赛道。
“我前段时间在YouTube上看到很多科普博主，可能还在上高中，甚至初中，记得有几个高中生用3D打印了一架飞机模型，可以完全用太阳能驱动。这一整年，除了太阳能电池外，他们还学会了飞机的空气动力学、编程、自动控制、流体力学等知识，让我印象深刻。”他举例道。
未来四五年，戴希称会把拓扑电子结构的研究从单电子态拓展到多电子态，拓扑超导材料也是下一步挖掘的重点。
此外，电子流体力学也是他关注的重点。某些情况下，金属中的电子可以看成某种流体，这种电子流体可能会在电场或磁场的驱动下，形成某种时空间拓扑结构，比如里面会产生漩涡等等。
“如果把电子气体看成流体，它跟大气非常像，拿激光照一照，把局域的温度升起来会产生一个漩涡，那会不会产生台风？跟大气物理的类比，会帮我们想象出许多有意思的电子运动新模式。”戴希对搜狐科技表示。
运营编辑 | 曹倩 审核｜孟莎莎
