新穎拓樸材料預測 在計算中發現新世界-2025第5屆國研院研發服務平台亮點成果-優等獎

研發服務平台亮點成果獎─優等獎
張泰榕 教授/國立成功大學物理學系
亮點成果：新穎拓樸材料預測
使用平台：國家高速網路與計算中心「台灣杉三號超級電腦」


「拓樸材料」（topological material）指的是電子結構具備特殊拓樸特性的物質，是近年來凝態物理領域中極為重要且熱門的研究課題之一。國立成功大學物理學系教授張泰榕，自2010年踏入拓樸材料領域後持續深耕，是世界認可的有潛力、影響力學者。

攜手理論與實驗 開啟跨國研究團隊合作模式

拓樸材料最特殊的性質，是內部絕緣、表面導電，對傳統物理學而言，絕緣體和導體是不同的相（phase），但在拓樸材料中卻能同時出現。此外，有別於傳統物理學「先看到現象才導出理論」的模式，像是牛頓看到蘋果從樹上掉下來後，提出「萬有引力定律」的理論，拓樸材料最開始是理論物理學家透過計算，發現在理論上存在具有拓樸性質的材料，再由實驗物理學家模擬驗證出來的。

在清華大學攻讀博士期間，張泰榕原本專攻「高能物理」研究，卻在指導教授的建議下改攻「凝態物理」，當時西方物理學界對拓樸材料的研究剛起步，但在臺灣幾乎無人知曉。爾後某一次的機緣，同學拿了一篇拓樸材料的國外論文請他幫忙重現論文的演算過程，他不只完整重現演算過程，更得出一模一樣的結論。這是他第一次接觸拓樸，也自此跨入拓撲領域。

在物理學的研究領域中，分為「理論物理」與「實驗物理」，實驗物理學家需要搭建儀器，探索新的物理現象或驗證物理理論的正確性，理論物理學家則是以方程式解釋實驗觀察結果，或是預測未探測到的物理現象。張泰榕自謙：「我如果單靠紙筆做純粹的理論物理，不可能贏過天才，但我又不擅長做實驗。」他觀察到在2010年左右，在拓樸物理領域，理論與實驗的距離越來越遠，實驗物理學家無法理解理論物理學家進行計算的意義，也不知道該如何量測，而理論物理學家也無法理解實驗上遇到的困難。但是他發現自己有機會成為兩者之間的橋梁，藉此消弭理論與實驗的鴻溝，這正是「新穎拓樸材料」最初的契機，也開啟張泰榕一路以來不斷與跨國研究團隊合作的模式。

在國網中心的支援下，張泰榕的研究可以放膽進行，大幅推進研究成果。

有國網中心的支持 放膽前行大幅推進研究進度

以尋找各式各樣的拓樸材料及其背後物理機制為研究主題，需要大量電腦運算來進行理論模型的模擬（運用了Matlab和Python）與第一原理計算，張泰榕在博士班期間就曾使用國家高速網路與計算中心（簡稱國網中心）的資源。後來因為指導教授自建伺服器，同時他也開始與美國研究團隊合作，使用美國團隊提供的伺服器資源，去成功大學任教後，也用研究經費組建自己的伺服器。然而，某一次成功大學的同事因臨時有計算需求，申請國網中心的運算時數，但在研究完成後還有剩餘時數，便讓他來使用。結果多年後再次使用國網中心電腦，發現其運算資源和速度都遠遠勝過自建伺服器，讓他非常驚豔，「國網中心台灣杉的運算資源豐富，讓團隊成員在搜索材料資料庫時不會畏手畏腳，可以放膽進行大量的數值運算，大幅推進研究進度，幫助研究團隊2024年在國際頂尖期刊發表多篇論文，同時提升臺灣的國際知名度。」 因為在拓樸材料研究領域的出色表現，他在今年獲得美國物理學會的年會邀請，組織拓樸材料的相關議程。美國物理學會的年會是全球最大的物理年會，今年共有超過1萬4千人參與，能夠得到美國物理年會的邀請，顯見他的研究成果受到世界矚目，「如果沒有國網中心資源的幫助，這些工作不可能完成。」張泰榕表示。

夜以繼日即時驗證 拔得世界頭籌

張泰榕的研究，一方面透過第一原理計算預測各式新穎拓樸材料，另一方面與跨國研究團隊合作，搭建理論與實驗的橋樑，曾經因為跨國時差、即時驗證，連續工作三個月。他印象最深刻的是：德國數學家外爾（Hermann Weyl）在1925年提出外爾費米子（一種自然界基本粒子）的概念，多年來未證實，在2014至2015年間這個題目忽然成為全世界各研究團隊競爭的目標。為了在特殊材料結構下讓電子展現出基本粒子行為，他與研究夥伴夜以繼日，實驗與理論一棒接一棒，成功實現「二維外爾半金屬」，研究成果拔得世界頭籌，登上《科學》（Science）期刊。

對理論物理學家而言，張泰榕在思索研究主題時，第一個想到的是「這個題目是否有趣」，因為強烈的好奇心，對拓樸材料領域持續進行探索。但是回到實務面，拓樸材料因具備某些被拓樸特性保護而幾乎不受環境影響的物理性質，在一些新穎的科技中有非常重要的應用潛力。

例如銅在變薄的同時電阻會上升，這對奈米科技的發展會產生阻礙，但是某些拓樸材料在越薄的時候，理論上導電性越好，未來應用在電晶體上，拓樸材料有機會取代銅作為導體，實踐奈米級的電晶體。另一個可能的應用場景是，當交流電要轉換為直流電時，現行的整流器是使用半導體的PN接面，但半導體的PN接面有其先天限制，且轉換途中無可避免有能量損失，而某些拓樸材料可在太赫茲（THz，即兆赫茲）頻率下產生完美的整流效應，對能源開發非常有幫助。
拓樸材料可在太赫茲頻率下產生完美的整流效應，是未來整流器的新興應用材料。右圖爲拓樸物理機制示意，此圖取自Science 381, 181 (2023)

張泰榕能在拓樸材料領域持續探索、驚奇發現，在研究上不斷創新、推進研究成果，最感謝國網中心的支持，「因為國網中心的資源，我的研究團隊可以迅速驗證想法，進行大型計算，才有今日的成果。」隨著國網中心的GPU陸續到位，未來他將更仰賴國網中心的資源，把研究領域擴展到機器學習等方向，繼續在物理現象的本質研究上深耕。

國網中心台灣杉三號合作團隊