从凝聚态物理中的电子到经典物理系统中的光波和声波，按意愿对粒子和波的传输进行调控, 一直是人们孜孜不倦探索和追寻的目标。然而，传统材料中存在着难以避免的缺陷和杂质, 使得粒子与波在传输过程中产生大量的散射和损耗, 从而引入噪声、增加功耗, 极大地制约了相关技术的应用与发展。因此, 如何减小粒子和波在传输过程中的散射和损耗成为当前信息和材料领域研究的一项重大挑战。随着科技的不断进步，作为物理学中一个新兴且迅速发展的领域，拓扑相和拓扑材料为克服这一挑战提供了巨大的机遇。它们支持受拓扑保护的、可抑制缺陷散射、低损耗的拓扑边界态以及新奇的体输运现象，为克服传统材料中粒子与波在传输过程中的散射和损耗提供了新的可能，在量子信息、热电、光/声等领域有着重大应用前景、处于世界科技前沿。

以创新之力点亮拓扑物理领域的璀璨星光，闪耀科技强国“她”力量。长期以来，南京大学现代工程与应用科学学院副教授张秀娟一直聚焦于拓扑物理这一前沿领域，致力于突破传统材料中波、粒传输的散射和损耗问题。她的研究涵盖高阶拓扑相、非厄米拓扑物理、矢量拓扑物理等多个前沿方向，基于人工微结构材料，通过设计和优化人工微结构，研究和实现新型拓扑物态与物理效应，为新型光学和声学器件的开发提供理论和实验双支撑。

因创新贡献，张秀娟以第一作者和通讯作者身份在《Nature》(1篇)、《Nature Physics》(1篇)、《Nature Communications》(3篇)、《Physical Review Letters》(1篇)、《Advanced Science》(1篇)等国际重要期刊发表成果30余篇，论文多次入选ESI高被引论文，总他引2000余次。并主持了国家优秀青年基金项目、国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金青年项目、江苏省科技计划专项资金前沿引领技术基础研究重大项目等多个科研项目。个人还荣获第二十届中国青年女科学家奖、江苏省青年科技创新“U35攀峰”人选等荣誉。

理论突破：首创提出高阶拓扑相的新机理

高阶拓扑材料的研究是拓扑物态研究的一个重要分支，标志着拓扑研究向更高维度与更复杂拓扑结构的拓展。区别于d维普通拓扑材料， d 维n 阶(n > 1)拓扑材料作为一类新颖的拓扑材料，展现出独特的物理特性：它们不仅支持d-1 维边界态，还支持低至d-n 维的边界态。这种突破传统体边对应关系的特性，为拓扑物理的研究带来了新的视角，引起了科学界的广泛关注。然而，由于一些关键科学问题的存在，如实现高阶拓扑相的一般性机理是什么、如何在实际材料中实现高阶拓扑相、高阶拓扑材料有哪些潜在功能和效应等，致使高阶拓扑的研究面临多个挑战。

科学研究就是要直面挑战。立足科研难题，张秀娟展开了攻关探索。她与合作者提出了一种全新的高阶拓扑相形成机理，突破了传统观点认为高阶拓扑相仅源于体极化的局限，首次揭示了边界拓扑性质在高阶角态形成中的关键作用。她利用人工微结构材料的高度可调控性，设计了在空间两个维度上同时满足滑移对称性的模型，成功实现了从二维体态到一维边界态再到零维角态的完整拓扑相变。这一多维拓扑相变理论的发现深刻丰富了对高阶拓扑相的理解，有效拓展了其基础原理。

此外，张秀娟和合作者进一步提出了基于壁纸群空间对称性的四极极化新原理，显著简化了多极拓扑材料的设计。设计实现的层级拓扑绝缘体支持偶极和四极极化的共存，为高阶拓扑材料设计提供了多维调控的可能性。相关理论成果已发表于《Nature Physics》和《Nature Communications》，单篇论文引用次数超过400次，是国际高阶拓扑研究的重要理论进展。

创新变“材”：设计和实现声学高阶拓扑材料

理论实践相辅相成。科学研究工作者不仅要做理论创新的奠基者，还要做实践行动的务实者。基于理论创新，张秀娟坚持致力于拓扑材料的研发，她与合作者开发了多种高阶拓扑材料。利用人工微结构的高可控性，在声子晶体中实现了二阶拓扑材料，首次证明其多维度的拓扑相变。这些材料可以通过调节人工微结构实现对二维体态、一维边界态以及零维角态的精确控制，展现了多维调控的可能性。进一步，她与合作者在三维拓扑材料设计中取得了突破，成功实现了具有二维界面态、一维棱态和零维角态的三阶拓扑材料。这些成果揭示了层级体-界面-棱-角的拓扑对应关系，为开发多功能、高效能量调控的拓扑材料奠定了坚实基础。这些研究不仅验证了高阶拓扑理论，还表明了人工微结构材料作为新型拓扑物相研究平台的强大潜力，研究成果发表在《Nature Communications》等国际顶级期刊上。

应用潜力：探索高阶拓扑材料的新现象和新效应

推动科技成果转化是提高服务社会生产力水平的重要途径。在高阶拓扑材料的研究中，探索其新现象和新效应是推动科技成果转化的关键。张秀娟与团队在理论和材料设计的基础上，将高阶拓扑相与多物理自由度相结合，开发了多种创新功能和效应。例如，通过引入能谷自由度，设计了可调的谷高阶拓扑态，能实现多路波束的动态调控。此外，基于非厄米系统的研究，团队首次实现了高阶非厄米趋肤效应，揭示了损耗调控下拓扑态的特殊分布行为。这些创新工作不仅揭示了拓扑相与其他物理自由度的耦合机制，也为未来高效、鲁棒的功能器件开发提供了新思路。例如，利用拓扑材料的特性，可实现受拓扑保护的光/声波导、拓扑激光以及量子芯片等。这些成果对拓扑材料的理论完善与实际应用具有重要意义，相关工作发表在《Physical Review Letters》、《Nature Communications》等知名期刊上。

当前，光/声拓扑物理领域正处于快速发展阶段，尤其是多物理自由度与拓扑原理的结合，以及拓扑物理在光/声新型材料中的应用开发，成为推动拓扑物理领域持续发展的关键趋势所在。鉴于此，张秀娟与团队正在积极探索非厄米物理与拓扑原理的结合，并尝试将其应用于非厄米拓扑传感器件的研发中。此外，团队还开展了基于矢量声学的拓扑物理研究，不仅在基础物理领域提出了矢量声轨道角动量与自旋角动量锁定的新原理，还积极推动矢量拓扑结构在声学微粒操控与声学检测中的应用，探索相关领域新的实践思路与技术突破。

传承育人：精心培育创新型科技人才

人才是推动科技创新的第一资源。在张秀娟看来，科技强国离不开科研人才的接续奋斗。为此，她充分展现青年科学家的责任与担当，在科研创新的同时，通过教书育人促进知识传承和人才培养。她所主讲的本科生核心课程《材料物理》，以严谨治学和创新教学深受学生好评。此外，她积极指导本科生和研究生的科研工作，已培养出多名优秀学子，其学生屡获国家奖学金、英才奖学金等荣誉。作为本科生新生导师，关注学生的全面成长，通过科研实践和学术指导，激发学生的学术热情和创新能力。

此外，张秀娟还热心于科普教育，组织并参与多种形式的公益活动。例如，为中学生普及声学材料的应用知识，借助讲座和实验激发公众对科学的兴趣，促进了科学知识的传播。她多次受邀参加国际和国内重要学术会议，包括Nature Conferences、PIERS、META、全国超材料大会等，并在这些平台上担任组织者和分会主席，为青年学者搭建了交流与合作的桥梁。

展望未来，张秀娟及其团队将继续致力于前沿基础物理的探索，推动新材料科学的突破性进展，并在多学科交叉应用中发挥积极作用，进一步展现中国青年科学家在国际前沿研究中的创新能力和发展潜力，为全球科技进步贡献中国智慧。(文/苗燕)

张秀娟(左5)与所在科研团队

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