拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的量子物态,是目前凝聚态物理学最活跃的研究前沿之一。简单而言,拓扑绝缘体是一种内部绝缘、表面导电的材料。拓扑绝缘体的这种特性,即其表面金属态是由材料的体电子态的拓扑性质所决定的,与表面的具体结构无关,因此该表面金属态的存在非常稳定,基本不受材料中杂质和材料所处外在条件的影响。拓扑绝缘体研究对探索和发现新的量子现象具有重要意义,如量子反常霍耳效应^{[1, 2]}、拓扑超导态^[3]、马约拉纳(Majorana)费米子^[4]和磁单极^[5]等。目前,拓扑绝缘体研究已获得了一系列的国际荣誉,如2010年欧洲物理学会的“凝聚态物理奖”,2012年美国物理学会的“奥利弗巴克利凝聚态物理奖”(凝聚态物理领域的最高奖)和联合国教科文组织国际理论物理学中心的“狄拉克奖”(国际理论物理学领域最高奖),2013年的“尤里基础物理学前沿奖”。2014年,拓扑绝缘体成为了诺贝尔物理学奖的热门候选。此外,拓扑绝缘体在未来电子技术中有很好的应用前景,如低损耗输运^[6]、高速晶体管^[7]、抗干扰自旋电子学器件、甚至是拓扑量子计算机等。

基于此,美国、欧盟、日本、德国和我国等制定了一系列针对拓扑绝缘体的研发计划,投入大量资金资助拓扑绝缘体研究。美国国防部高级研究计划局于2010年开始设立介观动力学结构(Mesodynamic Architectures,Meso)计划,大力支持拓扑绝缘体研究,目前已取得了一系列的成果,如进一步理解了拓扑绝缘体的特性、制造出基于拓扑绝缘体的场效应晶体管、验证了由磁开关控制的拓扑绝缘体晶体管、制造出首个门可调拓扑绝缘体表面态热电器件的初始原型等^[8]。美国能源部通过“凝聚态物理与材料物理研究”项目来推进对拓扑绝缘体的研究,主要聚焦拓扑绝缘体的理论和实验研究。欧盟主要通过第七框架计划(7th Framework Programme,FP7)对拓扑绝缘体的研究进行资助,2010–2014年,FP7对拓扑绝缘体相关项目的总资助金额为3 100多万欧元^[9]。日本学术振兴会在其“世界一流科学技术创新研究资助计划”(FIRST)中对“强相关量子科学”项目资助30.99亿日元,该项目的研究重点之一是拓扑绝缘体表面态的电子结构以及拓扑绝缘体的界面、表面和边界态的理论研究。2013年,德国德意志研究联合会设立了为期6年的优先领域项目“拓扑绝缘体：材料-基础特性-器件”,从3个方面来实现拓扑绝缘体的重大突破：改进现有的拓扑绝缘体材料;基础特性和器件结构;新的拓扑绝缘体材料和新概念。我国“973”计划近年来支持了一系列与拓扑绝缘体相关的项目,资助金额都在1 000万元以上;从2011年开始,国家自然科学基金委在物理Ⅰ领域增设研究方向“拓扑绝缘体材料制备及物性研究”,2012年,拓扑绝缘体的研究被列入“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划;2014年,中国科学院启动战略性先导科技专项(B类)“拓扑与超导新物态调控”,拓扑有序态与新奇量子现象研究是其主要研究方向之一。

本文利用文献计量学方法,以汤森路透公司的Web of Science(WOS)数据库作为分析数据源,利用关键词构建了以“拓扑绝缘体”为主题的检索策略,选择了1980–2014年的数据为分析资料,数据采集时间为2014年12月。检索结果显示,拓扑绝缘体领域从2005年开始才有数据,因此,实际分析的是2005–2014年拓扑绝缘体领域的研究论文情况。本文利用分析工具汤森数据分析器TDA(Thomson Data Analyzer)分析了该期间拓扑绝缘体领域的研究论文情况,同时,也以Thomson Innovation平台数据为数据来源对该期间的拓扑绝缘体专利情况进行了分析。

(1)发文量与趋势分析

2005–2014年,拓扑绝缘体研究的年发文量从3篇逐年递增到1 132篇,经历了3个阶段(见图1)：2005–2008年拓扑绝缘体研究处于起步阶段,论文数量很少;2009–2011年,拓扑绝缘体研究处于发展阶段,发文量整体呈快速增长趋势;2012年至今,论文数量暴增,是一个快速增长阶段,2014年论文数量最多。结合拓扑绝缘体的发展历史来看,从二维拓扑绝缘体理论预测和实验验证,到三维拓扑绝缘体的理论预测和实验验证,乃至基于拓扑绝缘体预言的一系列新奇物理现象,都使得拓扑绝缘体的研究热度持续上涨。此外,2010–2014年各国出台的拓扑绝缘体相关计划对该研究的开展也起到了一定的促进作用。

(2)主要国家论文产出比较

美国和中国的拓扑绝缘体研究的发文量远超其他国家,分别占总发文量的39.8%和29.3%,这在一定程度上反映了美国和中国在拓扑绝缘体研究领域的科研活动相当活跃,并且具有相当强的研究实力。德国和日本紧随其后,其发文量分别占总发文量的13.4%和12.8%。这4个国家的发文量占总发文量的78.6%。发文量较多的国家还包括俄罗斯、西班牙、加拿大、瑞士、韩国和法国等,这10个国家的发文量占拓扑绝缘体总发文量的88.9%。

(3)论文引文分析

对发文量排名前10的国家进行引文分析,见图3,可以看出,美国的总被引次数远远超过其他国家,是紧随其后的中国的3倍多,占拓扑绝缘体所有论文总被引次数的72.9%。从篇均被引来看,美国也是最高的,而且,除了瑞士之外,其他8个国家的篇均被引都低于该领域的世界平均水平。从这个角度可以看出,美国在拓扑绝缘体领域具有很大的优势和影响力。中国的总被引次数较高,是日本的2倍多;然而篇均被引却位居美国、瑞士和日本之后。总体上,中国在该领域的论文产出和影响力很大,仅次于美国。

(4)研究机构分析

中国科学院(含中国科学技术大学)是拓扑绝缘体论文产出数量最多的机构,其次是美国的斯坦福大学和劳伦斯伯克利国家实验室。表1列出了拓扑绝缘体发文量排名前10的研究机构,其中,美国机构4所,分别是斯坦福大学、劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校和普林斯顿大学;中国机构2所,分别为中国科学院和清华大学;德国2所,为马普学会和维尔茨堡大学;日本和俄罗斯各有1所。

通过引文分析可以发现(见图4),斯坦福大学的总被引次数远超其他机构,之后是普林斯顿大学和中国科学院,这3个机构的总被引次数都在1万次以上。从篇均被引来看,斯坦福大学也是最高的,达99.1,是世界平均水平(23.3)的4倍多。普林斯顿大学的篇均被引为82.2,位居第2。可以看出,美国的这两个机构在拓扑绝缘体领域具有非常大的影响力。10个机构中,只有马普学会和俄罗斯科学院的篇均被引低于世界平均水平。中国科学院的总被引次数位居第3,篇均被引略高于世界平均水平,清华大学的总被引次数和篇均被引在10个机构中都处于中游位置。这在一定程度上反映出我国机构在拓扑绝缘体领域研究中具有较大的优势,但影响力仍有待提升。

进一步分析发文量前10位的中国机构(见表2),可以看出,中国科学院的拓扑绝缘体论文数量遥遥领先,是位居其后的清华大学的两倍多,占中国拓扑绝缘体论文总量的38.5%。发文量较多的还有北京大学、南京大学和香港大学。中国科学院和清华大学的总被引次数远多于其他机构,随后是香港大学和北京大学。从篇均被引来看,清华大学的篇均被引最高,为47.9,是世界平均水平的2倍多。中国科学院和香港大学的篇均被引很接近,都略高于世界平均水平。其他8个机构的篇均被引都低于世界平均水平。

(5)重点作者分析

美国斯坦福大学的张首晟发表的论文数量最多,之后是斯坦福大学的祁晓亮、西班牙巴斯克大学的Chulkov EV、普林斯顿大学的Cava RJ和中国科学院物理研究所的戴希(表3)。排名前20的作者中,有8位来自美国,6位来自中国,日本3位,西班牙、新加坡和俄罗斯各1位。此外,在拓扑绝缘体研究中作出重要贡献的Kane和Molenkamp发表的论文数量分别为26篇和25篇。从被引次数看,张首晟和祁晓亮的总被引次数最高,都超过了1万次,随后是Hasan、Kane和Cava,被引次数超过5 000的还有中国科学院物理研究所的方忠和戴希以及麻省理工学院的傅亮。从篇均被引看,这20位作者的篇均被引都大大高于世界平均水平,其中,Kane的篇均被引最高,达316.3,比第2名的Hasan的篇均被引高出近一倍。Hasan、祁晓亮、张首晟和傅亮的篇均被引都在150以上,方忠、戴希和Cava的篇均被引也都高于115。可以看出,这些作者在拓扑绝缘体领域中的影响力和论文质量都很高。除了方忠和戴希,中国其他4位作者的表现也很亮眼,分别是清华大学的薛其坤和陈曦、中国科学院物理研究所的何珂以及香港大学的沈顺清,其篇均被引都在40以上,都大大高于世界平均水平。

(6)研究主题分析

利用Thomson Data Analyzer工具,对拓扑绝缘体论文的主题词进行分析,根据主题词和新出现的主题词的出现频次,可发现该领域每年最受关注的研究主题词和当年新出现的主题词(表4)。从最受关注的主题词来看,其发展变化主要围绕量子自旋霍耳效应、拓扑绝缘体、石墨烯、HgTe量子阱、拓扑绝缘体Bi₂Se₃、拓扑绝缘体Bi₂Te₃和拓扑晶体绝缘体这些主题词。从新出现的主题词来看,每年都有新的研究主题出现,其中,2006、2007和2010年新主题词出现较多。从新主题词的变化可以大概看到拓扑绝缘体的发展轨迹：2005年的量子自旋霍耳效应,2006年的HgTe量子阱,2007年“拓扑绝缘体”一词的正式出现,2008年的量子反常霍耳效应,2009年的拓扑绝缘体Bi₂Te₃和拓扑绝缘体Bi₂Se₃,2010年的拓扑绝缘体TlBiSe₂和拓扑超导体,2011年的拓扑半金属,2012年的拓扑绝缘体结以及2013年的Weyl金属。

由于拓扑绝缘体研究的发展时间不长,所以其专利申请数量并不多。拓扑绝缘体的专利申请在2010年才开始出现,到目前为止,拓扑绝缘体的专利申请总数为63件。从受理机构看,目前有拓扑绝缘体相关专利受理量的共8个机构。其中,中国国家知识产权局受理的专利数量最多,为31件,美国专利商标局为13件,世界知识产权组织(WIPO)为6件,韩国专利局为3件,日本特许厅和欧洲专利局各2件,加拿大知识产权局1件。

从专利权人看,有2件专利申请量以上的专利权人有15个,其中,来自中国的有7个,美国的6个,比利时和韩国各1个,这在一定程度上反映了中国和美国研究人员对拓扑绝缘体专利的重视。专利申请量最多的3个专利权人都来自中国,分别是中国科学院物理研究所、清华大学和京东方科技集团股份有限公司,其专利申请量分别为10件、10件和6件。

从技术方向看,拓扑绝缘体相关专利涉及的最多的技术主题是H01L(半导体器件;其他类目中不包括的电固体器件)、C01B(非金属元素;其化合物)和B82Y(纳米结构的特定用途或应用;纳米结构的测量或分析;纳米结构的制造或处理)。具体分析每个小类下的小组(见表5),可以发现,目前已申请的拓扑绝缘体专利中,其主要技术方向包括：半导体器件、非金属元素的二元化合物、纳米结构的制造或处理、晶体生长、霍耳效应器件、激光器等。

经过多年的研究,拓扑绝缘体已成为并将继续是物理学领域最活跃的研究前沿之一。拓扑绝缘体具有巨大应用前景和市场潜力,多国政府投入巨资支持拓扑绝缘体的研发。在自由探索和应用导向的驱动下,拓扑绝缘体研究保持了很高的热度,其论文产出正处于快速增长阶段,其专利申请也开始蓬勃发展。美国和中国是拓扑绝缘体研究中具有较大优势和影响力的两个国家,聚集了世界一流的机构和研究人员。因此,我国应利用自身现有优势,进一步加强拓扑绝缘体研究。

(1)从国家层面进行战略布局,打造从基础研究到应用的全方位研究体系。美国在国防部高级研究计划局和能源部的推动下,已使拓扑绝缘体研究面向未来器件和能源应用,我国的拓扑绝缘体研究在基金委、科技部和中国科学院等多方推动下,也朝着这个方向迈进,但仍需要一个国家层面的战略布局,从国家未来发展的需求出发,从基础研究到实际应用进行多层次的资助和推动,逐渐形成一个全方位的研究体系。

(2)集中资源和力量,力争取得重大突破。我国在拓扑绝缘体研究上布局较早,资助力度也很大,目前,我国在拓扑绝缘体的论文产出和影响力上都处于世界领先水平,在量子反常霍耳效应、理论预测、马约拉纳费米子等方面有表现突出的机构和科学家,且有可能获得重大突破。因此,应设立国家重大项目,对拓扑绝缘体进行专项资助,确保对已有或未来有前途的优势方向的持续重点支持,力争取得重大原创性突破。

(3)积极开发关键技术,建立核心专利保护网。我国非常重视拓扑绝缘体专利申请,全球的63件专利申请中有一半是中国受理的。然而,美国在拓扑绝缘体研究上占有很大的优势,已有的重大突破基本产生自美国,而且,美国国防部高级研究计划局在技术上投入巨资后,已获得了应用潜力很大的成果。因此,我国应集中优势,争取突破若干项关键技术,并有策略地进行专利申请,建立核心专利保护网,力争在未来的电子产业应用中处于领先地位。