声子作为固态物理学的一个基本概念，是晶体格点振动的量子化描述，同时也影响着催化、热电等能量转换过程。本文通过探讨声子与电子、晶格的相互作用，揭示了声子在调控材料物理和化学性质方面的重要性，为寻找更高效的能量转换材料体系提供了新路径。
导 读
随着对固体材料物理性质研究的不断深入，科学家们需要更全面地理解影响材料性能的各种因素。拓扑声子作为与固体晶格振动相关的准粒子，对材料的电学和热学等性质有着重要影响，是开发高效能源转换材料的关键。传统的能源转换材料研究主要集中在电子相关的特性上。然而，随着研究的进展，人们发现拓扑声子在能源转换过程中也起着不可或缺的作用。
图 1 在三维晶体材料中发现的拓扑声子为设计能量转换材料提供新路径
声子是一种玻色子，它不受泡利不相容原理和费米能级的影响。就像在一个热闹的固体材料“城市”里，电子们像忙碌的“居民”，而声子则是一种独特的“能量传递者”，它们与电子和晶格相互作用，影响着这个“城市”里的各种“交通规则”（输运现象），比如电导率、迁移率和磁输运等过程。
拓扑声子是具有拓扑性质的声子，它是与晶格振动相关的准粒子。拓扑声子的产生通常与晶体的结构和对称性有关。在一些具有特定对称性缺失的晶体中，例如缺乏时间反演对称性或空间反演对称性的晶体，会出现拓扑声子态。当晶体结构具有这些特殊的对称性条件时，声子的能带结构会发生变化，产生非平凡的拓扑特性。
随着拓扑物理学的发展，拓扑声子材料成为一个新兴的研究方向。近期，浙江大学关联物质研究中心、物理学院研究员徐远锋与美国普林斯顿大学等团队合作，利用拓扑量子化学理论，开发了包含 10,000 多种三维晶体材料的拓扑声子数据库，大大加速拓扑声子材料的开发。该数据库不仅提供了材料的拓扑分类，还有助于我们深入理解声子如何影响催化反应。
拓扑声子具有独特的边缘态，类似于拓扑电子的边缘态。这些边缘态可以对声子的传输进行精确控制，使得声子能够沿着特定的路径进行定向传输，并且对散射和干扰具有较强的抗性。例如，在热电材料中，拓扑声子的边缘态可以增强材料的稳定性，同时提高热电性能，因为它可以优化热导率和电导率，减少声子散射。拓扑声子还可以作为一种特殊的能量传输媒介。由于其拓扑性质，它可以在不同的区域之间实现高效的能量传输，并且可以激发表面或边缘状态，使得能量和信号能够沿着特定的路径进行定向传输。在某些催化反应中，拓扑声子可以直接与反应物相互作用，在吸附、脱附以及能量转移过程中，帮助克服活化障碍，促进化学键的形成或解离，从而提高催化效率。拓扑声子相关研究逐渐从基础理论研究向应用研究拓展，为能源材料和催化技术的发展提供了新的思路和方法。
总结与展望
拓扑声子在能源转换材料领域的研究前景广阔。随着对拓扑声子特性和其与电子、晶格相互作用机制的深入理解，以及拓扑声子材料数据库的不断完善和应用，有望开发出更多性能优异的新型能量转换材料。未来在催化领域，拓扑声子可能会带来更高效的催化反应过程；在热电材料方面，可能会进一步提高热电转换效率，为能源的高效利用和可持续发展做出更大贡献。
责任编辑
张 静 南京理工大学
余志鹏 葡萄牙伊比利亚国际纳米所
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第五卷第六期发表的Commentary文章“Energy conversion materials need phonons” (投稿: 2024-07-15；接收: 2024-10-04；在线刊出: 2024-10-05)。
DOI：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100709
引用格式：Ma D., Ma Y., Ma J., et al. (2024). Energy conversion materials need phonons. The Innovation 5(6):100709.
作者简介
马金福 北方民族大学材料科学与工程学院副院长，教授，合肥工业大学兼职博导，自治区黄大年式教师团队负责人（新能源材料与器件教师团队），入选国家民委“中青年英才”、宁夏“青年拔尖”人才计划。主持国家自然科学基金项目3项，省部级课题3项，中科院“西部之光”人才项目1项，厅局级科研项目2项，中国石油天然气管道局博士后课题1项。公开发表SCI论文40篇，获得国家发明专利授权5项。同时，先后获得宁夏回族自治区“优秀指导教师”、自治区自然科学论文一等奖，自治区教学成果二等奖等荣誉、自治区高等学校教学创新大赛二等奖。自治区一流基层教学组织负责人，所教课程《电化学原理及应用》被认定为自治区一流线下本科课程、《材料物理与性能》上线国家高等教育智慧教育平台。
李国伟 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员、博导，马普学会伙伴小组“磁性能量转换材料”团队负责人。入选国家青年人才项目，入选英国皇家化学会RSC-JMCC 新锐科学家，担任中国科学院磁性材料与器件重点实验室副主任。研究兴趣主要基于磁性和拓扑自旋物态的新材料，展开其在能量转换、自旋化学、智能磁性金属器件应用等方面的研究。迄今在Nat. Rev. Phys.、Nat. Commun.、Sci. Adv.等期刊发表论文80余篇，国际专利5件，授权美国专利1件。团队常年招聘博士后（年薪40万+）、夏令营优秀硕（3500+元/月）/博（5000+元/月）研究生。宁波连续十年宜居城市，团队周末不开会、不打卡，欢迎青年学子加入（课题组主页https://spin-physchem.nimte.ac.cn/）。
往期推荐
从欧拉盘到声子瓶颈效应：激发态共有的物性
可再生能源电力多元转换和绿色电子化学品将重构工业发展之路
磁场编织的量子谜团：解码新型量子自旋液体材料
电泵浦胶体量子点激光器指日可待
多功能量子点点亮与重塑巨噬细胞
外量子效率达到35.2%的高性能红色延迟荧光材料
完美的量子自旋液体材料是否真正存在？
NaYbSe₂：量子序中的经典序颗粒
容错拓扑量子计算的原理性验证
危化品 or 能源，氢能监管走向何方
高渗透新能源灵活电力系统规划：一种长期推演与短期模拟交互混合仿真方法
太空能源系统及资源利用研究进展
液态载氢体：链接可再生能源以实现碳中和的未来
面向人工智能的多维综合能源系统设计及优化
未来建筑能源的零碳新范式：基于太阳能与太空冷能的电、热、冷同步联产
非灾害性天气对新能源电力系统的灾害性影响
科学认识和积极评价家庭清洁能源转变的健康收益
期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
期刊官网：
www.the-innovation.org
期刊投稿（Submission）：
marketing@the-innovation.org
Logo | 期刊标识
See the unseen & change the unchanged
创新是一扇门，我们探索未知；
创新是一道光，我们脑洞大开；
创新是一本书，我们期待惊喜；
创新是一个“1”，我们一路同行。
The Innovation 姊妹刊
The Innovation
赞助单位