本站讯 近日，中国海洋大学信息学部物理与光电工程学院周龙文教授团队在Floquet临界拓扑相变研究中取得新进展，研究成果以“Observation of critical topological phase transition”（临界拓扑相变的实验观测）为题发表于国际顶级期刊Nature（《自然》）。
拓扑物态与相变临界点，长期以来被视为凝聚态物理中“两座互不相通的孤岛”。拓扑相以能隙为前提，需要离散的量子化不变量来定义；而临界点恰恰是能隙关闭之处，此时拓扑不变量通常失去意义。最新研究在声学超材料中首次实验展示了拓扑如何在临界状态下“存活”并主动重组临界行为，观测到一种全新的临界拓扑相变。
周龙文教授与南洋理工大学张柏乐教授团队、宁波东方理工大学余雪佳教授、新加坡国立大学龚江滨教授合作设计了一种基于声学波导阵列的Floquet（周期驱动）拓扑系统，将声波沿波导的传播方向映射为时间维度，横向排布则构成空间晶格。实验采用3D打印的声学波导阵列，通过精确设计直管（最近邻耦合）和弯管（次近邻耦合）的几何参数，团队在9.8kHz工作频率下实现了目标拓扑参数，并利用Floquet算符重建技术从实验数据中提取准能谱。这一方法为在经典波系统中研究量子临界拓扑现象提供了可推广的范式。
实验模型的拓扑相图[Nature 658, 358–364 (2026)]
与静态系统不同，Floquet系统的准能谱定义在一个紧致圆环上，支持0和π两个独立的准能隙，二者的交织产生了扩展的无能隙临界相边界。团队在边界I上观测到4个临界0边缘态，在边界III上观测到2个临界π边缘态。当两条具有不同拓扑性质的临界边界在多重临界点V相交时，两个准能隙同时关闭，拓扑边缘态发生“重组”——这正是临界拓扑相变的标志。通过测量声压场的振幅和相位，团队重建了完整的Floquet算符和准能谱，直接验证了理论预言的边缘态分布。研究团队采用纠缠熵作为诊断工具。对一维临界系统，纠缠熵随子系统尺寸呈对数标度增长，其斜率定义了有效纠缠系数。在边界I和III上，纠缠熵分别呈现对数标度律；而在多重临界点V上，实验测得的纠缠系数恰好等于两条相邻边界的系数之和。这种加和标度关系直接证明了“拓扑富化的多重临界性”。
该工作基于系统的理论和实验探索，发现拓扑不仅能在临界点“存活”，还能以离散的拓扑结构来组织连续临界涨落的模式。换句话说，两个临界点即使临界指数相同，也可能因拓扑性质不同而属于不同的普适类，从而超越了传统Landau-Ginzburg相变分类框架。该研究将“临界拓扑”这一近年兴起的理论概念推向了实验验证。它表明，拓扑与临界不仅相容，拓扑还能主动驱动相变、重组临界结构，从而建立了一种层级化的相变组织原则。这一框架有望拓展至光子、冷原子、超导量子电路等平台，并为探索超越Kibble-Zurek机制的非平衡临界动力学提供新的实验探针。
论文第一作者为南洋理工大学程哲宇博士和西北工业大学张秀海博士，通讯作者为宁波东方理工大学余雪佳教授、中国海洋大学周龙文教授、新加坡国立大学龚江滨教授和南洋理工大学张柏乐教授。研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目支持。
文：顾永建
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11067-5
编辑：赵奚赟
责任编辑：刘莅
