近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的研究组发展出了一套自动计算材料拓扑性质的新方法，在近4万种材料中发现了8千余种拓扑材料，十几倍于过去十几年间人们找到的拓扑材料的总和，并据此建立了拓扑电子材料的在线数据库。国际学术刊物《自然》于今天在线发表了该成果。
拓扑学是数学的重要分支，它的研究对象是在连续的形变下空间的不变性。比如，一个物体上面有多少洞（是指贯穿前后的洞，不是坑），这个洞的数目就是在连续形变下的一个不变量。在上世纪80年代对量子霍尔效应态的研究中，人们认识到，就像几何形体一样，固体中电子的波函数也具有这样的“拓扑不变量”，称为“陈数”。
对于电子波函数中的拓扑，下一次认识的飞跃出现在2005年前后。在一系列理论工作中，人们意识到，除了陈数之外，对称性可以带来新的拓扑不变量。具有这些新的拓扑不变量的绝缘体，后来被称为“拓扑绝缘体”。
认识到电子的波函数可能具有某种特殊的拓扑结构，固然是物理理论的一大进展，但是跟我们的实际生活有多大联系呢？一般认为，拓扑材料的边界态具有“背散射通道禁闭”等特点，可以用来制作超低能耗的电子元件。
要研究拓扑材料，第一步就是要将它们从浩如烟海的化合物中寻找出来。究竟具有什么样的化学式，拥有哪样的晶体结构的材料，才会有非零的拓扑不变量呢？这个问题长期困扰着领域内的科学家。
2017年底，中科院物理所的方辰研究员、方忠研究员、博士研究生宋志达（现普林斯顿大学博士后）、张田田在上述工作的基础上更进一步，得到了从对称性数据到所有拓扑不变量的完整对应。根据物理所研究组的新理论，不仅可以判断一个材料是否具有拓扑性质，还能指出具备（不具备）哪些拓扑性质。
在“词典”出版后的拓扑材料研究领域可以说是“山雨欲来风满楼”，接下来需要做的事情已经再显然不过了：根据新的理论设计一套全自动判别拓扑材料并计算拓扑不变量的算法，然后用它来以全自动的方式寻找新的拓扑材料。
如何将这些结果呈现给科学界呢？对于每一种拓扑材料，我们不仅需要给出化学式、原子结构、对称性指标、拓扑分类等关键信息，还应该给出计算出的电子态密度以及能带结构等参考信息。
从“拓扑电子材料目录”建立的过程我们可以看出，最后那“临门一脚”的三篇《自然》可能是关注度最高的，但对于深耕于领域的业内人士而言，从两年前“拓扑量子化学”和“对称性指标”这两篇论文出现的时候开始，此方向的研究范式已悄然改变。