獲得諾貝爾物理學(xué)獎的“拓?fù)洹保洪_啟研究奇異物質(zhì)的大門

　　北京時間10月4日消息，2016年度諾貝爾物理學(xué)獎剛剛揭曉!獲獎?wù)邽榇骶S·索利斯(David Thouless)、鄧肯·霍爾丹(Duncan Haldane)和邁克爾·科斯特利茨(Michael Kosterlitz)。

　　今年的諾貝爾物理學(xué)獎獎金，800萬瑞典克朗(約合93.2萬美元),50%授予美國華盛頓大學(xué)的David J.Thouless，另外50%共同授予美國普林斯頓大學(xué)的F.Duncan M.Haldan以及布朗大學(xué)的J.Michael Kosterlitz。以獎勵他們“在拓?fù)湎嘧円约巴負(fù)洳牧戏矫娴睦碚摪l(fā)現(xiàn)”。

　　二維世界中的奇異現(xiàn)象

　　今年的物理學(xué)獎獲獎人開啟了通往奇異物質(zhì)狀態(tài)研究的未知世界的大門，他們的成果促成了物質(zhì)科學(xué)理論方面的突破并帶來了新型材料研發(fā)方面的嶄新視野。

　　戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨借助先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法來解釋在不同尋常的物質(zhì)相(或狀態(tài))中出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，如如超導(dǎo)體，超流體或是超薄磁膜等。科斯特立茨和索利斯對二維世界中的一些現(xiàn)象開展了研究，簡單來說就是在平面上，或者極薄的薄層內(nèi)部的現(xiàn)象。相比之下，現(xiàn)實世界是一個三維世界，擁有長寬高三個維度?；魻柕み€對極細(xì)的現(xiàn)狀材料進(jìn)行研究，這些物質(zhì)可以被視作是一維的。

　　二維世界內(nèi)發(fā)生的物理現(xiàn)象與我們所熟悉的三維世界內(nèi)的物理現(xiàn)象存在很大不同。即便非常稀薄的物質(zhì)內(nèi)都會含有數(shù)以百萬計的原子，即便每個原子的行為都能夠用量子力學(xué)原理進(jìn)行解釋，但當(dāng)大量原子聚集在一起時，它們卻會表現(xiàn)出完全不同的奇異性質(zhì)。在二維平面上，類似的原子聚集后產(chǎn)生的反常行為不斷被觀察到，時至今日，專門對這類現(xiàn)象開展研究的凝聚態(tài)物理學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)中的一個重要領(lǐng)域。今年的三位獲獎人將數(shù)學(xué)中的拓?fù)涓拍顟?yīng)用于相關(guān)研究，并取得了突破性的發(fā)現(xiàn)。拓?fù)涫且环N數(shù)學(xué)的概念，描述的是以整數(shù)變化的屬性。運用這一工具，今年的獲獎人得到了意想不到的結(jié)果，開啟了研究的嶄新大門，并直接導(dǎo)致物理學(xué)多個領(lǐng)域內(nèi)引入了一些全新且至關(guān)重要的概念。

　　在低溫狀態(tài)下，你能“看見”量子力學(xué)

　　從本質(zhì)上說，所有物質(zhì)都受到量子物理學(xué)的制約。氣體、液體和固體都是我們常見的物質(zhì)相，在這些相中，量子效應(yīng)常常被隨機(jī)的原子運動所淹沒。但在極端低溫調(diào)價下(指的是非常接近絕對零度-273攝氏度的條件下)，物質(zhì)會呈現(xiàn)一種非常奇異的相并表現(xiàn)出不同尋常的行為。通常只能在微觀尺度上發(fā)揮作用的量子力學(xué)，在這樣的低溫條件下竟然突然變得“可見”了。

　　你會觀察到這樣的奇異現(xiàn)象：在超導(dǎo)體中，電流不會遭遇電阻，而在超流體中，一個渦旋永遠(yuǎn)不會減速慢下來，它會永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)下去。最早對超流體現(xiàn)象開展系統(tǒng)性研究的人是俄羅斯科學(xué)家卡皮查(Pyotr Kapitsa)，時間是在上世紀(jì)的1930年代。當(dāng)時卡皮查將氦-4冷卻到零下271攝氏度并觀察到了這種液體沿著容器壁向上流動的現(xiàn)象。換句話說，他觀察到了超流體在粘度完全消失之后表現(xiàn)出來的詭異特性。

　　由于這項成就，卡皮查被授予了1978年度的諾貝爾物理學(xué)獎。自那以后，科學(xué)家們在實驗室中已經(jīng)創(chuàng)制出了數(shù)種不同的超流體。超流體液氦、超導(dǎo)薄膜、磁性薄層以及導(dǎo)電納米線等只是當(dāng)前正在開展大量研究的全新物質(zhì)相的其中一部分。

　　雙漩渦帶來的答案

　　研究人員長久以來堅信，熱力學(xué)擾動會毀壞二維平面內(nèi)物質(zhì)的所有有序性，即便是在絕對零度條件下也是如此。但在1970年代早期，戴維·索利斯和邁克爾·科斯特利茨在英國伯明翰相遇并決定一同對這一主流觀點提出挑戰(zhàn)。他們選定了二維平面內(nèi)相變作為研究課題，按照他們后來兩人自己的說法，索利斯這樣做的原因主要是因為好奇，而科斯特立茨則完全是因為無知。他們的這次合作帶來了對于物質(zhì)相變的全新理解，并被認(rèn)為是20世紀(jì)凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域最重要的成就之一。

　　現(xiàn)在，他們的理論被稱為“KT相變”(科斯特立茨-索利斯相變)或BKT相變，此處多出來的這個“B”代表瓦迪姆·貝里辛斯基(Vadim Berezinskii)，這是一位已故的俄羅斯物理學(xué)家，他曾經(jīng)提出過相似的理論觀點。拓?fù)湎嘧儾⒎浅Ｒ?guī)的相變，就像水冰和液態(tài)水那樣的相變。在拓?fù)湎嘧冎邪l(fā)揮關(guān)鍵作用的因素是平面材料中的微小漩渦。在低溫下它們會形成緊密的“對”。隨著溫度上升，相變發(fā)生了：這兩個成對的小漩渦突然之間相互遠(yuǎn)離并各自在材料中獨自運動。

　　神秘的量子躍遷

　　實驗的發(fā)展最終帶來了一系列全新的物質(zhì)狀態(tài)需要得到解釋。在1980年代，戴維和鄧肯提出了一項突破性的理論，對先前有關(guān)材料導(dǎo)電性原理的理論提出了挑戰(zhàn)。先前的相關(guān)理論最早是從1930年代開始發(fā)展的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，當(dāng)時的主流觀點認(rèn)為相關(guān)理論已經(jīng)非常完善。因此當(dāng)在1983年戴維·索利斯證明先前的理論體系是不完善的，并且在低溫條件下以及在強(qiáng)磁場環(huán)境下，需要引入一種全新的，基于拓?fù)湓淼睦碚摃r，很多人都感到非常意外和驚訝。

　　在大約同一時期，鄧肯·霍爾丹在對磁性原子鏈進(jìn)行分析時，同樣得到了一個非常相似，也同樣出人意料的結(jié)果。他們的工作在隨后新物質(zhì)相的理論發(fā)展中起到了指導(dǎo)作用。戴維·索利斯利用拓?fù)鋵W(xué)從理論上進(jìn)行描述的神秘現(xiàn)象被稱作“量子霍爾效應(yīng)”。這一現(xiàn)象是在1980年由德國物理學(xué)家克勞斯·馮·克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)現(xiàn)的，后者因為這項成就而獲得了1985年度的諾貝爾物理學(xué)獎。克利青研究的是：在兩塊半導(dǎo)體之間放置一塊導(dǎo)電薄層，當(dāng)將溫度降低到只有幾K時并施以強(qiáng)大的磁場時，兩層半導(dǎo)體材料之間的電子將會發(fā)生何種行為。在物理學(xué)中，當(dāng)溫度降低到很低的情況下，是很有可能出現(xiàn)一些極端情況的，比如說，很多材料在這種情況下出現(xiàn)磁性。這是因為此時材料內(nèi)部的微型原子磁體都指向了相同的方向，從而產(chǎn)生了較強(qiáng)大的磁場，這一磁場可以被進(jìn)行測量。然而，量子霍爾效應(yīng)則更加難以理解，在半導(dǎo)體之間的導(dǎo)電層的電導(dǎo)率似乎只會呈現(xiàn)特定的數(shù)值，并且是幾位精確的值，這樣的情況在物理學(xué)中并不尋常。

　　測量顯示，即便改變半導(dǎo)體的溫度、磁場強(qiáng)度或者材料純度，得到的結(jié)果都是一樣的。當(dāng)磁場變化達(dá)到一定程度，導(dǎo)電層的電導(dǎo)性也會出現(xiàn)相應(yīng)變化，但這種變化不是連續(xù)的，而是跳躍的;如果降低磁場強(qiáng)度，導(dǎo)電層的電導(dǎo)性先是會非常精確地增加2倍，然后是3倍，然后是4倍，以此類推，都是一個個的整數(shù)。這種詭異的現(xiàn)象沒有辦法通過當(dāng)時已有的理論進(jìn)行解釋，但運用拓?fù)鋵W(xué)理論，戴維·索利斯對此給出了解釋。

　　拓?fù)浠卮?/p>

　　拓?fù)涿枋隽水?dāng)一個對象被拉伸、扭曲或變形時保持不變的屬性，而不是被撕裂。從拓?fù)鋵用嬷v，一個球和一個碗屬于同一范疇，因為一個球形的粘土塊可以轉(zhuǎn)化成一個碗。但是，一個中間有孔的百吉餅(bagel)和手柄處有孔的咖啡杯就屬于另一個范疇。當(dāng)然，他們也可以被重塑成彼此的形狀。因此，拓?fù)鋵ο罂梢园粋€洞，或兩個，或三個，或四個……但這個數(shù)字必須要是一個整數(shù)。這對于描述量子霍爾效應(yīng)中存在的電導(dǎo)現(xiàn)象大有幫助，因為在量子霍爾效應(yīng)的每步變化中唯一的變化就是一個整數(shù)的倍數(shù)變化。

　　只觀察它的一小部分我們無法確定咖啡杯是否有一個孔，同理，只觀察到其中一部分我們也無法確定電子是否已經(jīng)形成了拓?fù)淞孔恿黧w。但是，電導(dǎo)描述了電子的集體運動，因為拓?fù)?，每一步變化都是不同的。拓?fù)淞孔恿黧w的另一個特征是其邊界有著不同尋常的特性。這些已經(jīng)在理論上被預(yù)測，后來也已經(jīng)被實驗所證實。

　　另一個里程碑式的事件發(fā)生在1988年，當(dāng)時，鄧肯·霍爾丹發(fā)現(xiàn)拓?fù)淞孔右后w可以在薄的半導(dǎo)體層中形成，即使在沒有磁場的情況下?；魻柕ふf，他從來沒有想到他的理論模型能夠被實驗所證實，但到了2014年，其理論模型在一次試驗中被驗證。在該實驗中，原子幾乎被冷卻到零度。

　　研發(fā)中的新拓?fù)洳牧?/p>

　　在更早期的研究中，從1982年起，鄧肯·霍爾丹就曾做出一項令該領(lǐng)域?qū)＜腋械秸痼@的預(yù)測。在對部分材料中出現(xiàn)的磁性原子鏈的理論研究中， 霍爾丹發(fā)現(xiàn)原子磁體特征決定了原子鏈的不同屬性。在量子物理學(xué)中，有兩種類型的原子磁體，奇數(shù)和偶數(shù)?；魻柕ぷC明了偶數(shù)磁體鏈?zhǔn)峭負(fù)涞?，而偶?shù)磁體鏈則不然。

　　與拓?fù)淞孔恿黧w一樣，只是簡單地考察它的一小部分是不可能確定一個原子鏈?zhǔn)欠駥儆谕負(fù)?。而且，正如在量子流體的情況下，拓?fù)湫再|(zhì)在邊緣顯示自己。在這里，也就是在原子鏈的末端，因為量子屬性位于一個拓?fù)滏湹哪┒恕?/p>

　　最初，沒人相信霍爾丹關(guān)于原子鏈的推理。因為研究人員相信，他們已經(jīng)完全了解了原子鏈。但事實證明，霍爾丹發(fā)現(xiàn)了一種新型拓?fù)洳牧系牡谝粋€實例。如今，這已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理研究的一個活躍領(lǐng)域。

　　量子霍爾液體和磁性原子鏈都包含在這組新的拓?fù)錉顟B(tài)中。后來，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾個其他意想不到的物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài)，他們并不局限在原子鏈中，而且在普通的三維材料中。

　　拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浣饘偃缃褚殉蔀闊嶙h話題。在過去的十年中，這些技術(shù)一直處于凝聚態(tài)物理研究的前沿，人們希望拓?fù)洳牧夏鼙粦?yīng)用于新一代電子超導(dǎo)體或未來的量子計算機(jī)中。目前的研究正在揭示今年的諾貝爾獎獲得者所發(fā)現(xiàn)的這種物質(zhì)的秘密。