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(xué)獎授予三位美國科學(xué)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)現了物質(zhì)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(xué)的索利斯，另一半由普林斯頓大學(xué)的霍爾丹與布朗大學(xué)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(jià)值?記者采訪(fǎng)了多位科學(xué)家。

　　開(kāi)創(chuàng )“物質(zhì)拓撲相”研究

　　何為“拓撲”?斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授張首晟介紹，拓撲是一個(gè)幾何學(xué)概念，描述的是幾何圖案或空間在連續改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)?！昂芏嗝绹顺渣c(diǎn)心時(shí)，右手拿著(zhù)一只咖啡杯，左手拿著(zhù)一個(gè)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(zhì)是一樣的，面包圈可以通過(guò)一系列形變，變成咖啡杯?！蔽锢韺W(xué)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(xué)原理引入凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎理論，具有開(kāi)創(chuàng )性意義。

　　所謂“相變”，是物質(zhì)從一種相轉變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程，并伴隨物質(zhì)性質(zhì)的改變。物質(zhì)系統中，物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱(chēng)為“相”。與固、液、氣三態(tài)對應，物質(zhì)有固相、液相、氣相。1937年，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道發(fā)表了關(guān)于相變的普遍理論。這是一個(gè)經(jīng)典理論，但科學(xué)家后來(lái)發(fā)現，不少實(shí)驗結果與朗道理論的預測并不十分吻合。

　　復旦大學(xué)物理學(xué)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(shí)，發(fā)現了“KT相變”(以?xún)扇诵帐系氖鬃帜该?。這是科學(xué)家發(fā)現的一種新型相變，不能用傳統的朗道理論解釋?！案邷貢r(shí)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?！变鰷u其實(shí)是水面的拓撲缺陷。通過(guò)漩渦來(lái)刻畫(huà)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(xué)原理描述整數量子霍爾效應的TKNN不變量，這個(gè)拓撲不變量是拓撲學(xué)里的“陳數”，以數學(xué)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(guān)。上世紀80年代，他系統地研究了一種一維線(xiàn)性材料的“量子自旋鏈”，發(fā)現如果自旋量子數是半整數，這個(gè)系統就沒(méi)有能隙;如果自旋量子數是整數，就有能隙。他指出了這種物理現象背后的拓撲原因。。

　　有望催生量子計算機

　　這些關(guān)于物質(zhì)拓撲相的開(kāi)創(chuàng )性研究，給凝聚態(tài)物理學(xué)帶來(lái)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(xué)物理與天文系教授王孝群表示，如今物理學(xué)界研究的一大熱點(diǎn)“拓撲絕緣體”，就與三位諾獎得主的貢獻有關(guān)。

　　據介紹，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(lèi)神奇的材料上，不同自旋的導電電子的運動(dòng)方向相反，所以信息的傳遞可以通過(guò)電子自旋，而不像傳統材料那樣通過(guò)電荷，所以不涉及耗散過(guò)程。在這一領(lǐng)域做出重要貢獻的張首晟以芯片為例，解釋說(shuō)：“電子在芯片里的運動(dòng)，就像一輛輛跑車(chē)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(shí)間一長(cháng)就感覺(jué)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(chē)道”上運行。如果用這類(lèi)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(lái)取得的一些成果，達到了國際先進(jìn)水平。例如去年8月，上海交通大學(xué)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(xué)》。這種材料堪稱(chēng)“石墨烯的堂弟”，只有一個(gè)原子層，且有蜂窩狀結構，具有很好的應用前景。

　　物理學(xué)家眼中的“漂亮”

　　“我覺(jué)得，這三位‘大?！弥Z獎，似乎有些遲了，”復旦大學(xué)物理學(xué)系教授孔令欣說(shuō)。在她看來(lái)，理論物理學(xué)界對物質(zhì)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(tīng)到過(guò)嗎?理論物理學(xué)界關(guān)于物相的認知的傳統方法，在假設其對稱(chēng)性支配關(guān)系的前提下，是一種局部的測量，即測量一部分，進(jìn)而以此描述物質(zhì)全部。然而，隨著(zhù)全新的拓撲相變理論的提出，測量的要求向“關(guān)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(lái)一大批新的物相，而這些基礎理論的新發(fā)現，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(wú)用的”，但過(guò)去的經(jīng)驗早就告訴我們，當下的無(wú)用，也代表著(zhù)無(wú)限的未知。

　　而今，許多物理研究學(xué)者，喜歡用“漂亮”來(lái)形容拓撲相變理論及其應用的一系列拓展研究。這個(gè)充滿(mǎn)著(zhù)艱深術(shù)語(yǔ)和抽象定義的領(lǐng)域，為何是“漂亮”的呢?孔令欣解釋?zhuān)負湎嘧兝碚撎N含的拓撲學(xué)原理，只考慮物體間位置關(guān)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(jiǎn)、返璞歸真，更是一種大美。

　　她舉例來(lái)說(shuō)，很多人知道，門(mén)捷列夫當年推導出化學(xué)元素周期表，其中留出不少寫(xiě)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，并一一填滿(mǎn)。在拓撲相變理論這個(gè)漂亮的新視角之下，許多物理學(xué)家們也在做這樣的“預言”——據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。