在凝聚态物理及其应用中，不论对于电子系统，还是光波和声波系统，能够按需对粒子及元激发的传输进行调控，一直是学界追求的目标，而这一领域的快速飞跃也直接推动了现代微电子、光子和声子产业的诞生与蓬勃发展。南京大学现代工程与应用科学学院副教授张秀娟就是在这条路上持续钻研的年轻学者。过往数年，她攻克了一个又一个难题，热情始终未减。2025年1月，中国科学技术协会官网发布的第二十届中国青年女科学家奖和第九届未来女科学家表彰对象公示，张秀娟入选其中，这既是对她过去工作的认可，也鼓舞着像她一样坚持追梦的人。“科研确实辛苦，但只要发自内心地喜欢，就有动力去克服困难，让我有勇气面对任何挑战。”谈到这份荣誉，张秀娟如此说。

▲张秀娟

邂逅物理，寄情“偶然”

人生旅途，美妙之处就在于不可能每一步都按照预先设计好的样子踏出，只有学会把握那些不期而至，才能在无数偶然中抓住属于自己的必然。对张秀娟而言，科研正是如此——在华南理工大学攻读硕士学位时，侯志林教授的出现将她带入人工结构的能带设计与调控研究之中。在探索波在材料中能量与动量关系的过程中，她逐渐被物理世界的严谨与美感所吸引。

也正因如此，张秀娟格外关注物理学科的学术动态。当听闻吴莹教授要来做关于波动物理的讲座时，她第一时间报名参加。讲座内容生动而深刻，吴教授提出的前沿问题在她心中激起波澜。讲座结束后，张秀娟鼓起勇气上前交流，介绍了自己的研究背景与兴趣。这次交谈，不仅为她赢得了加入吴莹教授团队的机会，也开启了她前往沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学攻读博士学位的大门。这所坐落在红海之滨的大学，常因优越的生活环境和堪比度假村的校园为人所羡，但当外观赚足了眼球，或许就没那么多人了解，其实其科研水准和学业压力也属世界顶级。

虽然远赴异国的日子难免辛苦，但对张秀娟而言，追梦路上只有“值得”。2016年，拓扑相变与拓扑相理论荣获诺贝尔物理学奖，为整个领域注入了强劲动力。在吴莹教授的指导下，她正式开始接触拓扑能带理论。这次起步并不轻松，陌生的拓扑概念与复杂的数学公式几乎占据了她的所有时间。幸而，随着研究的深入，她逐渐意识到，拓扑能带不仅仅是一次理论的延伸，更是一种全新的视角。“拓扑能带的魅力在于它关注全局特性，对局部细节变化不敏感。这种特性让拓扑态具有极高的鲁棒性，即使存在缺陷或干扰，也能保持稳定的传输性能。这种特性在信号传输、抗干扰技术和缺陷免疫等方向有着广阔的应用前景。”她深深沉浸于这一领域，在拓扑的世界里找到了自己新的学术方向。

理想为舟，勇往直前

归国是大部分留外学子的必经之路，而每个人心中又都有一个属于自己的归国理由，张秀娟的则很纯粹：“我希望我今后的事业和贡献都能和我的祖国紧紧联系在一起。”南京大学——这座坐落于秦淮河畔的百年学府，成为她科研梦想的下一站。入职南京大学后，张秀娟加入了陈延峰教授和卢明辉教授的科研团队，将此前的研究积累与前沿探索相结合，开启了在高阶拓扑物理方向的研究之旅。

彼时，高阶拓扑材料作为拓扑物理的新兴分支，正受到学界广泛关注。传统的拓扑材料遵循“体-边对应”关系，其体态为d维，边界态为d-1维。而高阶拓扑材料则打破了这一规律，支持低至d-n维的边界态。这一突破性特性不仅揭示了新的物理效应，也向研究者提出了新的挑战。例如，高阶拓扑相的形成机理尚不明确，要如何在实际材料中实现高阶拓扑相及开发其潜在功能？

心中有数才能破题有招。面对挑战，张秀娟在审慎研究后给出了答案。她与合作者提出了一种全新的高阶拓扑相形成机理，此理论突破了传统观点中“高阶拓扑相仅源于体极化”的限制，首次揭示了边界拓扑性质对角态形成的重要作用。他们通过设计满足滑移对称性的人工微结构模型，成功实现从二维体态到一维边界态再到零维角态的完整拓扑相变。此后，他们又进一步地提出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，并首次实现了偶极和四极极化在同一材料系统中的共存，为高阶拓扑材料的设计和功能开发开辟了全新路径。相关研究成果发表在《自然·物理》（Nature Physics）和《自然·通讯》（Nature Communications）等学术期刊上，目前单篇论文的被引量已超过500次，成为高阶拓扑物理领域一项重要的理论进展。

始于理论构想，要臻于严密的实践。基于人工微结构材料的高可控性，张秀娟与团队开发了多种高阶拓扑材料。他们首先在声子晶体中实现了二阶拓扑材料，首次证实了多维度拓扑边界态的存在。随后，她又向更复杂的三维拓扑材料发起挑战,与合作者成功设计出一种具有二维界面态、一维棱态和零维角态的三阶拓扑材料。这不仅揭示了层级“体-界面-棱-角”的拓扑对应关系，更为高效能量调控和多功能拓扑材料的开发奠定了坚实基础，也再次验证了人工微结构材料作为拓扑物相研究平台的独特潜力。

张秀娟并未止步于此。在一篇与合作者撰写的《自然》（Nature）综述文章中，他们全面回顾了光/声经典系统中拓扑物理的研究进展，并指出多物理自由度与拓扑原理的结合，以及拓扑物理在新型光/声材料中的应用，将是推动领域持续发展的关键。围绕这一思路，她开始带领团队尝试拓扑原理与多物理自由度的交叉研究，开发出一系列新颖的功能和效应。例如，通过引入能谷自由度，他们设计了可调的谷高阶拓扑态，实现了多路波束的动态调控；在非厄米系统的研究中，他们又首次观察到高阶非厄米趋肤效应，这种现象揭示了损耗调控下拓扑态的独特分布规律。这些成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）、《自然·通讯》（Nature Communications）等期刊，受到同行广泛关注。这些研究不仅加深了对拓扑态与多物理自由度耦合机制的理解，还为开发受拓扑保护的光/声波导、拓扑激光及光/声芯片等提供了思路。

眼下，张秀娟正致力于非厄米拓扑传感器件的传感精度和抗干扰能力的提升。同时，她还将研究拓展至矢量声学拓扑物理领域，提出了矢量声轨道角动量与自旋角动量的新原理，为声学领域的基础理论带来了新视角。更重要的是，这些理论并未止步于纸上，张秀娟与团队正在积极推动将矢量拓扑结构运用到声学微粒操控与声学检测之中，以期为技术创新注入新动力。

初心易得，始终难守。所幸，张秀娟在忙碌的科研生活中始终保持着对未来的信心：“科学的魅力就在于它的无限可能，无论我们走了多远，总会有新的未知等待我们去发现。”而支撑她勇往直前的力量，始终是那一份朴素的理想——为全球科技进步贡献中国智慧。

专家简介

张秀娟，南京大学现代工程与应用科学学院副教授，获国家优青、江苏省青年科技创新“U35攀峰”人选等荣誉。先后主持国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金、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科研项目。研究方向为拓扑物理和人工微结构拓扑材料，以第一作者身份在《自然》（Nature）、《自然·物理》（Nature Physics）、《自然·通讯》（Nature Communications）等学术期刊发表高水平论文30余篇，总他引2000余次。

此外，张秀娟还担任电磁学研究进展研讨会（PIERS）、全国超材料大会等会议组织者，担任《人工晶体学报》青年编委，担任《施普林格·自然》（Springer Nature）及美国物理学会（APS）、美国光学学会（OSA）等机构组织相关期刊审稿人。2025年1月2日，《关于第二十届中国青年女科学家奖和第九届未来女科学家计划拟表彰（支持）对象名单》正式公示，共产生中国青年女科学家奖表彰人选19名，张秀娟赫然在列。

来源: 科学中国人