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聲子是晶格振動的元激發(fā)，是固體中熱輸運的主要載體。許多重要的實際應(yīng)用與器件（如集成電路的散熱、熱障涂層、熱電效應(yīng)、熱二極管、熱三極管等）都需要有效地控制聲子輸運，與之相關(guān)的研究構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的一大分支——聲子學(xué)。另一方面，新型拓撲量子物態(tài)的發(fā)現(xiàn)，如量子霍爾效應(yīng)、量子反常霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)、拓撲絕緣體、拓撲半金屬等，從根本上改變了人們對電子態(tài)的認識，并對電子學(xué)、自旋電子學(xué)、拓撲量子計算等領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響。最新的研究工作將拓撲的物理概念引入聲子學(xué)，利用Berry相位、拓撲等新奇的量子自由度，實現(xiàn)全新的聲子操控，因此誕生了一個新興的研究領(lǐng)域——拓撲聲子學(xué)。在本專題中，來自清華大學(xué)的段文暉院士和徐勇助理教授（共同通訊作者）等人從基礎(chǔ)理論到潛在應(yīng)用，概括了聲子的Berry相和拓撲效應(yīng)的最新研究進展。

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晶格固體拓撲材料包括：拓撲絕緣體（TIs）、拓撲晶體絕緣體（TCIs）、拓撲狄拉克半金屬（DSMs）、拓撲外爾半金屬（WSMs）、拓撲狄拉克或外爾節(jié)線半金屬（NLSMs）等等。它們都具有受拓撲保護的重要表面態(tài)等特征。因為拓撲材料在自旋電子學(xué)、量子計算機以及新物理等領(lǐng)域的應(yīng)用前景巨大，近年來，研究人員對它們進行了大量而深入的研究。目前，具有特殊性質(zhì)的拓撲材料的設(shè)計，還是嚴(yán)重依賴傳統(tǒng)的試錯法。在本專題中，來自中國科學(xué)院金屬研究所的陳星秋研究員介紹了用于拓撲材料設(shè)計的高通量計算方法的相關(guān)情況。

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陳星秋

文獻鏈接：Xing-Qiu Chen.?Boosting the discovery of 3D topological materials: mixing chemistry with physics via a two-step computational screening strategy,?Natl Sci Rev?(2018) 5 (3): 316–318. DOI: 10.1093/nsr/nwx053

面對石油資源日漸匱乏和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化的雙重壓力，利用氫能這一清潔能源取代以化石燃料為基礎(chǔ)的現(xiàn)有能源已成為全球關(guān)注的熱點。就目前氫能發(fā)展的現(xiàn)狀而言，高效的儲氫方式及儲氫材料的研發(fā)是實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵和瓶頸。在儲氫家族中，有一系列由輕元素B、N、Li、Na、Al、Mg、Ca等與H構(gòu)成的三維固態(tài)化合物，如NaAlH₄、LiNH₂、LiBH₄, Li₄BN₃H₁₀、MgH₂、AlH₃、氨硼烷(NH₃BH₃)等。它們具有較高的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫體積分?jǐn)?shù)，但存在放氫溫度偏高、放氫速率緩慢的問題，嚴(yán)重制約了其在車載氫源上的應(yīng)用。因此，認識它們的放氫機理并調(diào)控放氫的熱力學(xué)和動力學(xué)是儲氫材料領(lǐng)域十分關(guān)注的問題。

在本專題中，來自中南大學(xué)的杜勇教授（通訊作者）等人提出基于第一性原理計算在缺陷相關(guān)性質(zhì)中的重要作用，或有助于從原子層面理解放氫過程的細節(jié)，并從點缺陷角度理解儲氫材料的放氫過程和機理。

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當(dāng)我們研究科學(xué)、工程和社會中的復(fù)雜系統(tǒng)時，一般總是先了解其宏（系統(tǒng)）尺度行為，然后再逐步深入其微（單元）尺度的機制，并逐步試圖建立這兩者之間的關(guān)聯(lián)。然而，直接建立這種關(guān)聯(lián)是十分困難的，原因似乎是在這兩者之間缺少了什么共同的原理。研究逐步表明，在介于單元尺度和系統(tǒng)尺度之間的介尺度上可能存在一個普適的主導(dǎo)原理，即：不同控制機制在競爭中的協(xié)調(diào)。為此，提出了介科學(xué)這一跨學(xué)科的概念。

在本專題中，來自中國科學(xué)院過程工程研究所的李靜海研究員（通訊作者）等人根據(jù)課題組三十余年的研究成果，對介科學(xué)產(chǎn)生的背景、面臨的挑戰(zhàn)和機遇進行了簡要而深刻的介紹。

提到材料，我們的腦海中會浮現(xiàn)一些圖片。比如具有精細納米結(jié)構(gòu)和特殊物理化學(xué)性質(zhì)的功能材料，金屬和水泥等結(jié)構(gòu)材料。然而，我們可能有時會忽略材料的構(gòu)建形式。實際上，日常生活中的玻璃、鐵、煤炭、水泥和其他許多材料都是粒狀/顆粒材料。本文就是對澳大利亞莫納什大學(xué)教授、顆?？茖W(xué)與技術(shù)及過程工程專家余艾冰的采訪，余教授對顆粒體系的計算機模擬與仿真研究做了細致介紹，并提出了一些對顆?？茖W(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的展望，最后對國內(nèi)研究現(xiàn)狀作了簡要評價，并對投身于材料計算模擬的年輕科學(xué)家提出了建議。

余艾冰

文獻鏈接：Weijie Zhao.?Computation as a powerful tool for understanding particle systems: an interview with Aibing Yu,?Natl Sci Rev?(2018) 5 (3): 342–345. DOI: 10.1093/nsr/nwy001

本文轉(zhuǎn)載自National Science Review（《國家科學(xué)評論》）編輯部，點擊文末“閱讀原文”進入National Science Review官網(wǎng)，了解更多期刊精彩內(nèi)容！