2016年諾貝爾物理學獎：物質拓撲相的發現

周璐

2016年諾貝爾物理學獎授予三位科學家——戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們發現了物質拓撲相，以及在拓撲相變方面做出的理論貢獻。這三名科學家均在英國出生，目前分別在美國的華盛頓大學、普林斯頓大學、布朗大學從事研究工作。今年的獲獎發現打開了一扇通往未知世界的大門，他們的發現帶來了對物質奧秘理解方面的突破，并創建了培育新材料的新視角。

他們發現了新的物質形態

對很多人來說，“拓撲相變和拓撲相”屬于令人望而生畏的深奧理論。普通人能看到氣態、液態、固態這常見的三種物態，但更深刻的層次有很多物質態的分類。“拓撲物態理論”補充了人們所熟悉的普通的物態變化，比如物質如何從固體變為液體再變為氣體。

鏈接1：

什么是拓撲？

所謂拓撲，是數學的一個分支，主要研究的是幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的性質。拓撲描述的是當一個物體在未被撕裂的條件下，被拉伸、扭曲或變形時保持不變的特性。因此，從拓撲方面來說，一只馬克杯和一個硬面包圈是一樣的，因為它們都只有一個開口，而蝴蝶脆餅則不同，因為它有兩個開口。三名獲獎者將拓撲概念應用于物理研究，這是他們取得成就的關鍵。

20世紀70年代初期，邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯推翻了當時關于超導體和超流體無法在薄膜層中實現的理論。他們證明，超導體可以在低溫環境下實現，并解釋了其實現機制，以及使超導體在高溫中消失的相變問題。20世紀80年代，戴維·索利斯用非常薄的導電層解釋之前的一個實驗。在這些導電層中，導電性可以用整數步驟精確測量出來。他證明了這些整數步驟是符合拓撲結構的。幾乎在同一時期，鄧肯·霍爾丹發現了如何用這些拓撲概念理解一些物質中發現的小磁鐵鏈的特性。正因為戴維·索利斯參與了兩項工作，所以獨享一半獎金，鄧肯·霍爾丹與邁克爾·科斯特利茨分享另一半獎金。

鏈接2：

什么是拓撲相變？

鄧肯·霍爾丹

不同的物質形態稱之為物質的不同“相”或物態。相變，也就是物質“變臉”的過程，即從一種相變換到另一種相的過程。比如水隨著溫度變化而在固、液、氣三態之間的轉化實際上就是相變的過程。相變過程通常伴隨物質性質、性能的改變。物質的“拓撲性質”發生了變化，稱之為“拓撲相變”。拓撲相變伴隨的是拓撲數的變化。

絕緣體、導體、超導體……這些物質相可以變來變去，這些奇怪的材料能用于未來的電路。三位科學家開創性地使用數學的方法來解釋物質在罕見狀態下所發生的物理變化，比如超導體、超流體和薄磁膜。

他們的研究將改變人們的生活

諾貝爾獎委員會認為，當今人們所使用的“前沿技術”，比如電腦，根本上是依賴于人們理解和掌控材料性質的能力。三位獲獎的物理學家用他們的理論發現解釋了非常態的物質變化，建立了“拓撲相變”的數學概念，這為將來新材料的設計提供了新的物質特性的理論基礎，這將引領未來重大的技術發展。其中一個重大的應用前景可能是量子計算機。

如果能夠將拓撲絕緣體材料制成手機芯片，那么就有希望解決手機在長時間充電，或是連續使用時間過長后變得發燙的問題。這是由于拓撲絕緣體材料是一種邊界上導電、體內絕緣的新型量子材料。導電的邊界態由于獨特的物理特性，在導電過程中不會發熱。

另外，家用電力也和拓撲材料息息相關。每個家庭里使用的電力，最開始從發電廠輸出時其實電壓遠不止220伏特，發電廠發出的其實是高壓電。但較大一部分電流在通過電線輸送到千家萬戶的過程中，都會產生損耗。如果能夠將電線“改造升級”，使用超導材料或是拓撲絕緣體材料，那么便有希望大幅度降低電流“在路上”的損耗，降低了輸電成本。

其實，拓撲絕緣體、拓撲超導體和拓撲半金屬在過去10年中一直處于凝聚態物理研究的前沿，現在隨著諾貝爾物理學獎的頒發，此類技術可能會有更加明顯的突破，使其商用的時間表可能不會很長。

鏈接3：

我國科學家在拓撲研究領域的成就

在拓撲研究領域，我國科學家也有不少值得稱道的工作，一些研究還處于國際拓撲研究領域的前沿。早在2009年，中國科學院物理研究所方忠、戴希等與華人科學家張首晟合作，理論預言了目前最為廣泛研究的拓撲絕緣體材料Bi2Se3家族。2014年底，中國科學院物理所方忠、戴希、翁紅明研究團隊，理論預言TaAs晶體是非磁性的外爾半金屬。在他們的推動下，2015年，中國科學院物理所的陳根富小組制備出高質量樣品，丁洪、錢天小組使用上海光源“夢之線”觀測到了TaAs中的外爾費米子行為，這是該類特殊的電子第一次展現在世人面前。外爾半金屬是拓撲半金屬研究的一個重要方向。該研究成果被英國物理學會主辦的《物理世界》評為“2015年度十大突破之一”，同時也被美國物理學會的《物理》評為“2015年度八大亮點工作”之一。除此之外，我國科學家預言了三維拓撲絕緣體并很快在實驗上發現，進而推動了整個國際上拓撲絕緣體的研究熱潮。

【責任編輯】蒲 暉