低温下的奇怪相变

李剑龙

为什么钻石和石墨都是由碳原子组成的，它们的价格和性质却完全不一样呢？那是因为碳原子的排列方式发生了变化。这样的状态突变在物理学中叫做相变。

物理学家曾经认为，物质的相变都是由原子重新排列引起的（如石墨在高温高压下变成钻石），或者是由原子自旋重新定向引起的（如钢针的磁化）。然而，当温度降低到接近绝对零度时，某些物质会突然进入了一种全新的状态，例如导体的电阻突然消失，变成超导体，流体会突然丧失黏滞性，变成超流体——但其中并没有发生原子重排或自旋重新定向。

在20世纪70年代，出生于英国的三位凝聚态物理学家，戴维·索利斯（David Thouless）、邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）和迈克尔·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）从理论上研究了这种奇怪的相变。他们因此分享了2016年诺贝尔物理学奖。

三位物理学家的研究被冠以“拓扑量子物态”和“拓扑相变”的名字，其中都用到了数学中的拓扑概念。假如你将一个橡皮泥捏成的圆球变成立方体时，数学家认为它的拓扑性质没有变化。只有当你用铅笔在圆球上戳出一个透明窟窿时，它的拓扑性质才会改变。通俗地讲，拓扑学研究一个几何体上一共有几个洞。

索利斯和科斯特利茨在研究一种极扁平材料在低温下的超流体相变时，提出了以他们名字命名的KT相变。KT相变是一种拓扑相变，在其中起决定性作用的不是原子排列，而是一种小涡旋。涡旋就像三维几何体上的洞一样，是一种典型的拓扑不变量。当温度很低时，这种极扁平材料中的顺时针和逆时针涡旋成对出现，而且靠得很紧密。当温度升高时，涡旋对就相互远离，渐行渐远。

霍尔丹研究了一种一维线性材料的“量子自旋链”，并同样用拓扑的概念解释了它的性质。

拓扑量子物态有别于我们通常见到的气态、液态和固态，是一种全新的物质状态，往往具有很多匪夷所思的性质。例如，清华大学的薛其坤研究团队在2014年成功实现了一种叫做“拓扑绝缘体”的薄层物质。这种物质的内部是绝缘的，表面却是超导的。并且，电子在它的表面只能单向运动，仿佛建立了一条快速的单行车道。这种奇怪的特性有可能帮助我们解决计算机芯片的散热问题。

拓扑量子物态的理论研究为我们打开了一个全新的物质世界。诺贝尔奖会员会的成员汉森（Thors Hans Hansson）认为，该项研究可能应用于下一代电子器件和超导材料，甚至量子计算机中。

“看到你的英雄被授予荣誉总是很美好的，”帝国理工大学的固体物理学教授菲利普（Chris Phillips）说，“（今年的诺贝尔物理学奖）是一个真正的科学家的奖项。”