晶体材料按照其电子结构的不同可划分为金属和绝缘体两大类。近年的系列研究表明，绝缘体还可细分为一般绝缘体和拓扑绝缘体，并认识到拓扑绝缘体表现出完全不一样的量子现象与物性，如：拓扑保护的表面态、反弱局域化，量子自旋／反常霍尔效应等等。对于金属态，研究显示也可划分为“一般金属”和“拓扑半金属”两大类，且拓扑半金属也会具有与一般金属不一样的新奇量子现象。
方忠团队先后通过理论计算，预言自然存在的Na₃Bi和Cd₃As₂是三维版本的石墨烯——一种拓扑半金属。2014年该预言得到确认，成果在《科学》上发表。该拓扑半金属具有与石墨烯相似的网格结构，电子在其中跑起来比在硅芯片中快许多倍，却几乎没有能量损耗，因此这一发现不仅具有重要的科学意义，还将为开发能耗更低、集成度更高、功能更强的电子器件提供全新的材料基础。（该项目获得中科院战略性先导科技专项B类支持）

　物质分类图

已发现的三种拓扑半金属Na₃Bi、TaAs、Cd₃As₂  的结构图

　　从理论预言到实验观测，拓扑半金属研究在两年多的时间里取得了突破性进展。

　　2012年，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的翁红明副研究员、方忠研究员和戴希研究员与沈阳金属研究所的陈星秋研究员一起合作，指导物理所的博士生王志俊，通过理论计算，预言这样一个三维Dirac锥形半金属态可以在Na₃Bi中存在，并受到它本身晶格对称性的保护。由于Dirac点是类似于引力中心的奇点，从该奇点出发，施加不同的调控手段，可以创造出许多新奇的量子物态，是理想的量子调控材料。该工作发表在Phys. Rev. B 85, 195320 (2012)。Na₃Bi的工作立刻引起了实验物理学家的重视，有多个实验小组立即投入到实验验证的工作中。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的翁红明副研究员、方忠研究员、戴希研究员以及博士研究生王志俊，英国牛津大学的陈宇林教授、美国斯坦福大学的沈志勋教授以及美国SLAC国家加速器实验室、美国伯克利劳伦斯国家实验室的研究人员一起合作，经过一年多的努力，首先取得成功，在Na₃Bi中通过ARPES观测证实了理论预言的三维Driac锥。该项工作在2014年初在《科学》上发表【Science Express, January 16, 2014, DOI: 10.1126/science.1245085】，并被Physics World以《科学家发现石墨烯的三维版本》为题进行报导。

　　2013年，王志俊、翁红明、戴希、方忠等，又通过理论计算，发现传统半导体材料Cd₃As₂也是三维Dirac半金属，而且它的室温迁移率高达15,000cm2/V/s，可以与硅比拟，因此有更为直接的应用价值和前景。该工作发表于Phys. Rev. B 88, 125427 (2013)。由于Cd₃As₂的生长、制备和加工比Na₃Bi容易，很快美国的两个实验小组于2013年9月，在arXiv网站公布他们的实验结果（http://arxiv.org/abs/1309.7892和http://arxiv.org/abs/1309.7978），宣布在Cd₃As₂中发现了理论预言的三维Dirac半金属态。至此，由我国科技工作者理论预言的三维Dirac半金属态都得到了实验证实，引领并推动该领域的研究进入新的阶段。

  相关链接：

  中国科学院物理研究所http://www.iop.cas.cn/?n=1
  方忠个人主页http://www.iop.cas.cn/gkjj/xrld/201207/t20120718_3617467.html