2016年诺贝尔物理学奖揭晓拓扑相变：开启一个未知世界

俞陶然+　彭德倩

2016年诺贝尔物理学奖授予三位科学家—戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，以表彰他们发现了物质拓扑相，以及在拓扑相变方面作出的理论贡献。这三名科学家均在英国出生，目前分别在美国的华盛顿大学、普林斯顿大学、布朗大学从事研究工作。

瑞典皇家科学院在新闻公报中说，今年的获奖研究成果开启了一个未知世界的领域。

开创物质拓扑相研究

何为“拓扑”？斯坦福大学物理学教授张首晟介绍，拓扑是一个几何学概念，描述的是几何图案或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。“很多美国人吃点心时，右手拿着一只咖啡杯，左手拿着一个面包圈，这两样东西的形状看上去完全不一样，但它们的拓扑性质是一样的，面包圈可以通过一系列形变，变成咖啡杯。”物理学界公认，索利斯、霍尔丹和科斯特利茨在上世纪70—80年代做的一系列研究，首次将拓扑学原理引入凝聚态物理学的基础理论，具有开创性意义。

所谓“相变”，是物质从一种相转变为另一种相的过程，并伴随物质性质的改变。物质系统中，物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为“相”。

复旦大学物理学系教授陈钢介绍，上世纪70年代，索利斯和科斯特利茨合作，在研究二维材料有限温度下的超流体相变时，发现了“KT相变”（以两人姓氏的首字母命名）。上世纪80年代初，索利斯等人用拓扑学原理描述整数量子霍尔效应的TKNN不变量。

邓肯·霍尔丹之所以被授予诺奖，也与“拓扑”有关。上世纪80年代，他系统地研究了一种一维线性材料的“量子自旋链”，指出了这种物理现象背后的拓扑原因。

有望催生量子计算机

这些关于物质拓扑相的开创性研究，给凝聚态物理学带来了深远影响，也为一系列“超级材料”的研发奠定了基础。上海交通大学物理与天文系教授王孝群表示，如今物理学界研究的一大热点“拓扑绝缘体”，就与三位诺奖得主的贡献有关。

据介绍，拓扑绝缘体的体内与普通绝缘体一样，是不导电的，但是在它的边界或表面存在导电的边缘态。在这类神奇的材料上，不同自旋的导电电子的运动方向相反，所以信息的传递可以通过电子自旋，而不像传统材料那样通过电荷，所以不涉及耗散过程。在这一领域做出重要贡献的张首晟教授以芯片为例，解释说：“电子在芯片里的运动，就像一辆辆跑车在集市里行驶，不断地碰撞，产生热量。你们把笔记本电脑放在腿上，时间一长就感觉很烫。正是电子间碰撞产生的热量，导致摩尔定律将失效。”而拓扑绝缘体好似为电子建立了高速公路，让电子在一条条“单向车道”上运行。如果用这类材料制造芯片，计算机、手机等电子设备的性能有望大幅提升。科技界还有望利用拓扑绝缘体制造出量子计算机。

物理学家眼中的“漂亮”

“我觉得，这三位‘大牛得诺奖，似乎有些迟了。”复旦大学物理学系教授孔令欣说。在她看来，理论物理学界对物质的“相”的认知，因拓扑相变理论，而产生了新的活力，获得了新的视角。

“盲人摸象”的故事听到过吗？理论物理学界关于物相的认知的传统方法，在假设其对称性支配关系的前提下，是一种局部的测量，即测量一部分，进而以此描述物质全部。然而，随着全新的拓扑相变理论的提出，测量的要求向“关注”整体转化。这种站在新的维度上的测量和定义，已经给世界带来一大批新的物相，而这些基础理论的新发现，一部分可能对于量子计算、量子信息产生极大影响。当然，目前其中可能还有相当一部分是“无用的”，但过去的经验早就告诉我们，当下的无用，也代表着无限的未知。

而今，许多物理研究学者，喜欢用“漂亮”来形容拓扑相变理论及其应用的一系列拓展研究。这个充满着艰深术语和抽象定义的领域，为何是“漂亮”的呢？孔令欣解释，拓扑相变理论蕴含的拓扑学原理，只考虑物体间位置关系而不考虑它们的形状和大小。将深奥的理论与几何图形的畅想相联系，在她眼中是一种美。更重要的是，拓扑相变理论中，对拓扑相、拓扑态的描述，只需很少的资讯信息，即可解释复杂变换的相变，这种化繁为简，更是一种大美。