拓扑与临界相变，在传统物理学认知里是一对“宿敌”，长期以来被认为互不相容。如今，这条铁律被打破了。10月7日，国际学术期刊《自然》同期发表两篇论文，宣布中国科学家首次实验观测到临界拓扑态，在拓扑物理与临界相变之间架起了一座桥梁，为量子与统计物理研究开辟了新视野。
两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳，把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。过去，学界普遍认为拓扑必须依赖能隙，而临界点正是能隙消失之处，两者在物理性质上互不相容。为打破这一铁律，余雪佳与合作者历经数年，一步步构建起完整的“临界拓扑”理论框架，为后续实验提供了理论基础。
理论的验证来自实验。第一篇论文的实验主导者、中国科学技术大学教授蒋建华形象比喻道：能隙就像拦水的堤坝，到了临界点，堤坝被移平，水四处乱流，可奇怪的是，水库边缘的水依然能保持统一的流动节奏。这证明即便在无能隙的临界点，物质仍可拥有明确的拓扑特性，拓扑特性的成立未必需要一道“堤坝”守着。这也让“临界拓扑”从一个理论概念，变成看得见的实验对象。为“捕捉”这一看不见的新物态，蒋建华团队将自主发展的测量纠缠熵的特殊实验方法，与余雪佳提出的理论相结合，设计出实验方案。
“这就像在黑暗房间里通过影子反推物体轮廓。”蒋建华说，纠缠谱正是这样一套“影子探测工具”。论文第一作者、香港大学博士后研究员林志康通过巧妙的实验设计，证实纠缠谱可以作为准确“诊断”临界拓扑态的“指纹”。这一“指纹”，让原本看不见的物态变得可以被测量；他进一步把这一物态扩展到二维系统。
另一篇论文的实验由新加坡南洋理工大学教授张柏乐团队主导。该团队基于前期发展的临界拓扑理论方案，在一维周期驱动声学超材料中实现了临界拓扑态，并观测到临界点处两种不同类型的拓扑边缘态，这也在另一个完全不同的物理体系里，为理论提供了独立验证。
《自然》审稿人评价该工作“可靠而翔实”。蒋建华表示，这一发现将打开一扇新大门，为拓扑物理、量子相变及统计物理等领域的未来研究提供全新的研究系统与启发。另外，临界拓扑物态会产生一类特殊的连续谱内的拓扑局域态，在声学和光学器件研发上具有重要应用前景。
在余雪佳看来，这项研究并非推翻了那条铁律，而是找到了它的边界：临界拓扑，是两大领域的一次“美妙结合”。（光明日报全媒体记者 晋浩天）
来源：光明日报《打破物理学禁区，我国科学家首次“看见”临界拓扑态》
