维也纳技术大学的光学设备。
电子并不只是小球体，它会在材料中“弹来弹去”。量子物理定律告诉我们，电子的行为与波类似。在某些材料中，这种电子波可以呈现出相当复杂的形态。“拓扑材料”产生的电子态可能有非常有趣的技术应用，但要识别这类材料及其相关的电子态却极其困难。
对此，奥地利维也纳技术大学（TU Wien）和若干中国的研究小组通过合作，提出了新的观点，并进行了实验验证。由光波构成的“晶体”以一种特殊的几何形态来容纳原子。这些“光晶体”曾被用于操纵原子。现在，它们又被用来打破系统平衡。通过在简单状态和复杂状态之间进行切换，系统可以揭示材料是否具有拓扑学意义上的有趣状态。相关发现刊登于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志。
如何简要地解释拓扑学的重要性呢？举个形象的例子来说，如果购物袋被塞得太满，面包卷可能会被挤压成类似香蕉的形状。面包卷和香蕉有相同的基本几何结构，因此拓扑结构相同。而甜甜圈有一个洞，它的拓扑结构与香蕉和面包卷是不同的。即使它被挤压过，它的形状仍然可以很容易地与面包卷区分开来。维也纳技术大学量子科学与技术中心的乔尔格?施密特梅尔（Jorg Schmiedmayer）教授解释说：“在现实世界中，每个实验、每种技术总会面对各种干扰。量子态因受到特殊拓扑结构的保护而免受扰动——这就是研究人员为它们着迷的原因。2016年，虽然诺贝尔物理学奖授予了对物质拓扑状态进行研究的科学家，但物质是否存在拓扑量子态仍被认为难以确定。非平衡状态的量子态总是处于迅速的变化之中，这种动态变化很难捉摸。我们的研究对获取该系统的拓扑状态信息提供了一种好办法。”施密特梅尔教授与中国的潘建伟教授（音译）和陈帅教授（音译）等展开了密切合作。2016年，维也纳技术大学与中国科技大学签署了合作协议，计划在物理学等领域加强研究合作。
在干扰光波的帮助下，原子可以保持在预定位置，形成类似晶体的规则原子网格。进而，原子在固态晶体中开始扮演电子的角色。通过改变光，原子排列的几何结构随之改变，研究人员就能检查固态材料中的电子状态了。施密特梅尔说：“随着光的变化，巨大的不平衡突然产生了，量子态必须重新达到平衡。在这个过程中，我们可以观察到清晰的信号，并确定材料是否具有拓扑态。”
施密特梅尔等的成果为拓扑材料的研究提供了新视角。研究人员可以利用人工光晶体来模拟晶体结构，从而发现新的拓扑材料。
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
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