中国科学技术大学苏州高等研究院的蒋建华教授课题组与新加坡南洋理工大学的研究人员合作，在拓扑缺陷产生的拓扑物理这一快速发展的领域进行了综述，并展望了这些现象对凝聚态物理、光学、声学和材料科学的潜在影响。该展望综述近期以“Topological phenomena at defects in acoustic, photonic and solid-state lattices”为题发表在《Nature Reviews Physics》上，并被选为封面文章。

拓扑学在材料物理领域有两个突出的应用，一个是近年来热门的用来预测和分类拓扑材料的能带拓扑理论，另一个是更早被研究的实空间拓扑缺陷，例如位错和旋错等结构，这两类拓扑现象通常被分开处理。最近的理论和实验进展表明，两者在固体材料和超构材料中具有复杂和令人惊奇的相互作用。比如，拓扑缺陷在拓扑材料中可以产生鲁棒的拓扑局域态、分数电荷、拓扑瓦尼尔循环、手性和引力反常、缺陷诱导的泵浦和非厄米趋肤效应等各式各样新奇的物理现象（如图1示例）。

图1: 典型的拓扑缺陷和其演生的拓扑物理现象。a, b: 狄拉克涡旋和类马约拉纳局域态；c, d: 螺位错和一维螺旋局域态; e, f: 旋错和分数电荷。

在这篇综述中，作者首先从理论层面出发，介绍了一维Jackiw-Rebbi理论和二维Jackiw-Rossi理论，并依据Kane-Teo对称性理论例举了弱拓扑绝缘体、三维整数量子霍尔系统和二维陈绝缘体等不同拓扑绝缘体系统中的“体-缺陷对应”现象，从而引入了拓扑缺陷态产生的物理机制。随后作者总结了拓扑缺陷在拓扑绝缘体，拓扑晶体绝缘体，拓扑半金属，拓扑超流和超导以及强关联系统等不同拓扑材料下的各种新奇拓扑现象，并重点回顾了近年来固体材料和超构材料中相对应的实验进展，包括声子和光子系统中螺位错引起的一维拓扑局域态，光子和电路系统中旋错导致的分数电荷实验测量、声学拓扑瓦尼尔循环等重要工作，总结如表1所示。

最后，作者对该领域进行展望。超构材料可以为探索拓扑缺陷和其他新奇自由度的相互作用继续提供舞台，在人工高维度，非厄米，非欧几里得，非线性等系统中产生更加有趣的物理。拓扑缺陷态有望为新型波导，高Q值光腔，高性能激光等提供应用价值和新的思路。另外，在固体纳米材料中，丰富的拓扑缺陷结构如何影响拓扑材料的性能，能否找到更多的应用？这些问题有待人们去探究。

表1: 不同拓扑材料中不同拓扑缺陷产生的拓扑现象总结。

苏州大学物理学院的博士生林志康为该论文的第一作者，新加坡南洋理工大学的Baile Zhang，Yidong Chong教授和中国科学技术大学苏州高等研究院的蒋建华教授为共同通讯作者，合作者还包括南洋理工大学的Qiang Wang，Haoran Xue博士和苏州大学的博士生刘洋。该项研究工作得到了国家自然科学基金委杰出青年基金项目的支持。论文封面图片由苏州大学传媒学院王国燕教授和马燕兵创作。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42254-023-00602-2