国家自然科学奖二等奖获得者万贤纲：做基础研究就像摸黑行走

拓扑物态，一个曾三次斩获诺贝尔物理学奖的前沿领域。2011年之前，全球学者都认为它只存在于绝缘体材料中。直到南京大学物理学院教授万贤纲和他的合作者，通过理论计算在一种磁性氧化物材料中预见了它的存在，并将其命名为“外尔半金属”。

这个万贤纲口中的“意外”，已引发长达10余年国际研究热潮，相关论文被引用超过5600次，其中包括4位诺贝尔奖得主、48位美国科学院院士和38位中国科学院院士的引用。7月8日，万贤纲团队的“拓扑半金属理论和拓扑材料计算预测”项目获得2025年度国家自然科学奖二等奖，但万贤纲本人谈及获奖，说得最多的是“运气”和“意外”。他说，做研究的全部动力，就是“享受物理世界”，“并不知道自己在做啥，也不知道会有什么结果”。而正是这份对未知的好奇，让他完成了一次又一次的突破。

“很一般的期刊”上，发了篇里程碑论文

对于外尔半金属研究产生的后续影响，万贤纲坦言自己当时“并没有意识到”。

这篇首次提出“外尔半金属”概念的论文，最初只是“发在一个凝聚态物理专业期刊，而不是Nature/Science这些顶刊”上。跟一般热点研究不同，这是一个“非主流”的发现。

为什么说非主流？

此前近三十年，学界约定俗成地认为，拓扑是绝缘体的“专利”。金属导电，与拓扑所需的能隙结构天然矛盾，那么拓扑物态能不能存在于金属中？

万贤纲说，自己最初也认为不能，当时他研究的是烧绿石结构的铱氧化物，一类同时具备强自旋轨道耦合和电子关联效应的材料。他好奇的是，这两种效应如果共存，会不会催生出全新的量子物态？他被这个问题吸引住了。

从2009年开始，他几乎放下了所有其他课题，“一篇论文也没有发过”。作为理论物理学家，他没有实验室，每天就是坐在电脑前，反复推演和计算，“就是想搞清楚这种材料里究竟有什么，会有什么新奇的效应”。近两年时间里，他没有预设目标，只是顺着研究结果往前走，“我也不知道会有什么结果”。

直到结果出来，他通过理论计算预言，这种复杂磁结构的铱氧化物，可能正是理论物理中“外尔费米子”在凝聚态材料中的对应物。他们将这类材料命名为“外尔半金属”。

“完全是意外。”他说，“一辈子遇不到几个意外。”

而这篇看似“非主流”的论文，后来被《物理评论B》评选为创刊50周年的“里程碑”论文。

万贤纲说，这也要感谢学校，“南大物理不问‘你发了什么好文章’。”他说，如果没有这种不数论文的氛围，“大家一定会去追热点，也就不会有那个‘非主流’的发现了。”

从“意外”到“必然”

发现新物态后，一个更实际的问题摆在面前：怎么找到更多这类材料？传统方法判定拓扑性质，需要处理复杂的数学计算和波函数“规范选取”难题，效率极低。人们一个一个去碰，结果就是普遍认为“拓扑材料非常少”。

“过去人们怎么做？凭经验和物理直觉，怀疑哪个材料可能有拓扑性质，就一个一个去判断。”万贤纲说，“效率很低，所以此前大家都认为拓扑材料非常少。”

万贤纲换了个思路。从对称性这一基本物理性质出发，发展了一套新的高效判定方法，成功规避了以往的计算瓶颈。

如果说“外尔半金属”的发现带着运气的成分，那这一项工作依靠的是多年的积累。万贤纲多年深耕这一方向，从空间群、磁空间群到自旋群，他精通于这些理论框架。

利用这套方法，他们对所有已知非磁晶体材料进行了系统“筛查”，发现近一半都具有拓扑性质，最终预测出10897种拓扑材料，并从中挑选出近千个最有可能被应用的体系，建立了免费开放的数据库，供全球科学家参考和研究。

这项成果于2019年发表于国际顶尖学术期刊《自然》正刊。同期《自然》还刊登了中科院物理所和普林斯顿大学团队的两项独立工作，三个研究团队在同一天发表了相关成果。《自然》编辑部此前以《新颖材料的宝库使物理学家兴奋不已》为题对这项研究做了高度评价，指出“使得新奇的拓扑现象离应用更近了一步，或可引发电子学和催化学等方向的革命”。

中国科学院院士邢定钰评价说，过去找拓扑材料好比“用鱼钩钓鱼”，一个一个去试；而万贤纲团队的方法好比“用渔网捕捞”，拓扑材料基因库的建立，“将使未来的研究不必像以前那样大海捞针”。2019年，该成果入选“中国十大科技进展新闻”。

“我不会申请专利，也不会搞应用”

有了拓扑材料库，拓扑材料研究从此进入了一个全新的阶段。面对这样一项重大的成果，万贤纲依然保持着一贯的谨慎：“我们做理论只能预言。至于它是不是‘好’的拓扑材料，那是另一回事，还要实验去验证。”

拓扑半金属在理论上很适合做存储器件，但当记者问起应用前景时，他也保持一贯的坦率：“我还真不知道，因为那不是我的本行。”他说，自己不会申请专利，也不会搞应用，发现材料之后，合成、制备、应用，那需要化学家、材料学家、工程师的参与。

这大概就是“坐冷板凳”的样子。作为江苏省政协委员，他曾在两会期间建议，要鼓励青年人“坐冷板凳”，瞄准国际上最好的科学问题进行攻关，通过经费支持和职称晋升解决后顾之忧。他认为，如果过于在意研究结果、追求转化效益，反倒很难做出真正具有“开创性”的科研成果。

获奖之后，万贤纲反复提及“运气”和“意外”，强调基础研究靠的是长期积累，以及在过程中对物理世界的纯粹好奇。他也特别感谢江苏省科技厅的支持，“提名让我们有了被看见的机会”。

这趟始于好奇心的探索之旅，仍在继续。万贤纲入选“新基石研究员项目”，获得长期稳定支持，继续深耕自由探索。团队正在沿着“对称性”这条主线，将理论框架从非磁材料拓展到磁性材料体系，构建包含超过51万个磁空间群不可约表示矩阵及对应低能模型的数据库。“做基础理论研究就像摸黑行走，很长一段时间你都不知道要往哪走，也不知道能不能抵达那个结果。”他选择的不是一条快路，而是一条自己想走的路。

扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子

校对 陶善工