物理所在拓扑物态领域取得一系列国际领先的研究成果。2009年，理论发现Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族三维拓扑绝缘体，并获实验验证，成为最为广泛研究的拓扑绝缘体材料体系。2010年，理论提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3等拓扑绝缘体薄膜是实现量子反常霍尔效应的最佳体系，获2011年中国科学院杰出科技成就奖。2013年，与清华大学合作在世界上首次实验观测到“量子反常霍尔效应”，验证了理论方案。
2012-2014年，理论预言并实验发现了两个狄拉克半金属Na3Bi和Cd3As2，将凝聚态中电子态的拓扑分类从绝缘体推广到了半金属，发现了新物态——拓扑半金属态。
2015年，理论预言TaAs家族材料是外尔半金属，并首次实验证实了其中手性电子态——外尔费米子的存在，被英国物理学会《物理世界》评为“2015年十大突破”，被美国物理学会《物理》评为“2015年八大亮点工作”。2018年1月，入选美国物理学会《物理评论》系列期刊诞生125周年纪念论文集，是收录的49项重要科学成就中唯一来自中国本土的工作。
2017年，理论预言并首次实验发现了三重简并点半金属WC家族材料，发现其中的三重简并费米子型准粒子激发，为在凝聚态物质中探索非常规费米子激发提供了新思路、新方法。
2018年，首次在铁基超导体铁碲硒材料中发现了拓扑超导表面态，并在该材料中发现了零能的马约拉纳束缚态，对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有重要意义。
量子反常霍尔效应示意图
外尔费米子成果入选美国物理学会125周年纪念论文集
三重简并费米子示意图
铁碲硒样品表面的磁通涡旋及在磁通涡旋中心观察到的零能束缚态