諾貝爾物理獎解讀：拓撲相變之“美” 有望運用于芯片上

　　2016年諾貝爾物理學獎授予三位美國科學家——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(fā)現(xiàn)了物質拓撲相，以及在拓撲相變方面做出的理論工作。獎金的一半頒給華盛頓大學的索利斯，另一半由普林斯頓大學的霍爾丹與布朗大學的科斯特利茨分享。他們的理論研究取得了什么突破?有哪些應用價值?記者采訪了多位科學家。

　　開創(chuàng)“物質拓撲相”研究

　　何為“拓撲”?斯坦福大學物理學教授張首晟介紹，拓撲是一個幾何學概念，描述的是幾何圖案或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質。“很多美國人吃點心時，右手拿著一只咖啡杯，左手拿著一個面包圈，這兩樣東西的形狀看上去完全不一樣，但它們的拓撲性質是一樣的，面包圈可以通過一系列形變，變成咖啡杯。”物理學界公認，索利斯、霍爾丹和科斯特利茨在上世紀70—80年代做的一系列研究，首次將拓撲學原理引入凝聚態(tài)物理學的基礎理論，具有開創(chuàng)性意義。

　　所謂“相變”，是物質從一種相轉變?yōu)榱硪环N相的過程，并伴隨物質性質的改變。物質系統(tǒng)中，物理、化學性質完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為“相”。與固、液、氣三態(tài)對應，物質有固相、液相、氣相。1937年，蘇聯(lián)物理學家朗道發(fā)表了關于相變的普遍理論。這是一個經(jīng)典理論，但科學家后來發(fā)現(xiàn)，不少實驗結果與朗道理論的預測并不十分吻合。

　　復旦大學物理學系教授陳鋼介紹，上世紀70年代，索利斯和科斯特利茨合作，在研究二維材料有限溫度下的超流相變時，發(fā)現(xiàn)了“KT相變”(以兩人姓氏的首字母命名)。這是科學家發(fā)現(xiàn)的一種新型相變，不能用傳統(tǒng)的朗道理論解釋?！案邷貢r的二維超流體仿佛湍急的水流，水中的漩渦大量產(chǎn)生;低溫的二維超流體如同平靜的水面，產(chǎn)生的漩渦很少。”漩渦其實是水面的拓撲缺陷。通過漩渦來刻畫二維超流體從高溫到低溫的相變，就是KT相變。上世紀80年代，索利斯等人用拓撲學原理描述整數(shù)量子霍爾效應的TKNN不變量，這個拓撲不變量是拓撲學里的“陳數(shù)”，以數(shù)學家陳省身的姓命名。。

　　霍爾丹之所以被授予諾獎，也與“拓撲”有關。上世紀80年代，他系統(tǒng)地研究了一種一維線性材料的“量子自旋鏈”，發(fā)現(xiàn)如果自旋量子數(shù)是半整數(shù)，這個系統(tǒng)就沒有能隙;如果自旋量子數(shù)是整數(shù)，就有能隙。他指出了這種物理現(xiàn)象背后的拓撲原因。。

　　有望催生量子計算機

　　這些關于物質拓撲相的開創(chuàng)性研究，給凝聚態(tài)物理學帶來了深遠影響，也為一系列“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎。上海交通大學物理與天文系教授王孝群表示，如今物理學界研究的一大熱點“拓撲絕緣體”，就與三位諾獎得主的貢獻有關。

　　據(jù)介紹，拓撲絕緣體的體內與普通絕緣體一樣，是不導電的，但是在它的邊界或表面存在導電的邊緣態(tài)。在這類神奇的材料上，不同自旋的導電電子的運動方向相反，所以信息的傳遞可以通過電子自旋，而不像傳統(tǒng)材料那樣通過電荷，所以不涉及耗散過程。在這一領域做出重要貢獻的張首晟以芯片為例，解釋說：“電子在芯片里的運動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。你們把筆記本電腦放在腿上，時間一長就感覺很燙。正是電子間碰撞產(chǎn)生的熱量，導致摩爾定律將失效?！倍負浣^緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運行。如果用這類材料制造芯片，計算機、手機等電子設備的性能有望大幅提升?？萍冀邕€有望利用拓撲絕緣體制造出量子計算機。

　　在拓撲絕緣體的研究和制備方面，我國科研人員近年來取得的一些成果，達到了國際先進水平。例如去年8月，上海交通大學賈金鋒教授團隊首次制備出名為“烯錫”的拓撲絕緣體，論文發(fā)表于《自然·材料學》。這種材料堪稱“石墨烯的堂弟”，只有一個原子層，且有蜂窩狀結構，具有很好的應用前景。

　　物理學家眼中的“漂亮”

　　“我覺得，這三位‘大?！弥Z獎，似乎有些遲了，”復旦大學物理學系教授孔令欣說。在她看來，理論物理學界對物質的“相”的認知，因拓撲相變理論，而產(chǎn)生了新的活力，獲得了新的視角。

　　“盲人摸象”的故事聽到過嗎?理論物理學界關于物相的認知的傳統(tǒng)方法，在假設其對稱性支配關系的前提下，是一種局部的測量，即測量一部分，進而以此描述物質全部。然而，隨著全新的拓撲相變理論的提出，測量的要求向“關注”整體轉化。這種站在新的維度上的測量和定義，已經(jīng)給世界帶來一大批新的物相，而這些基礎理論的新發(fā)現(xiàn)，一部分可能對于量子計算、量子信息產(chǎn)生極大影響。當然，目前其中可能還有相當大一部分是“無用的”，但過去的經(jīng)驗早就告訴我們，當下的無用，也代表著無限的未知。

　　而今，許多物理研究學者，喜歡用“漂亮”來形容拓撲相變理論及其應用的一系列拓展研究。這個充滿著艱深術語和抽象定義的領域，為何是“漂亮”的呢?孔令欣解釋，拓撲相變理論蘊含的拓撲學原理，只考慮物體間位置關系而不考慮它們的形狀和大小。將深奧的理論與幾何圖形的暢想相聯(lián)系，在她眼中是一種美。更重要的是，拓撲相變理論中，對拓撲相、拓撲態(tài)的描述，只需很少的資訊信息，即可解釋復雜變換的相變，這種化繁為簡、返璞歸真，更是一種大美。

　　她舉例來說，很多人知道，門捷列夫當年推導出化學元素周期表，其中留出不少寫明形狀分子量的空格，被之后的研究者在自然界中相繼發(fā)現(xiàn)，并一一填滿。在拓撲相變理論這個漂亮的新視角之下，許多物理學家們也在做這樣的“預言”——據(jù)此在已知的物相以外，推導哪些拓撲態(tài)、物相是可能存在的。