2016年诺贝尔物理学奖：物质拓扑相的发现

周璐

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做出的理论贡献。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。今年的获奖发现打开了一扇通往未知世界的大门，他们的发现带来了对物质奥秘理解方面的突破，并创建了培育新材料的新视角。

他们发现了新的物质形态

对很多人来说，“拓扑相变和拓扑相”属于令人望而生畏的深奥理论。普通人能看到气态、液态、固态这常见的三种物态，但更深刻的层次有很多物质态的分类。“拓扑物态理论”补充了人们所熟悉的普通的物态变化，比如物质如何从固体变为液体再变为气体。

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什么是拓扑？

所谓拓扑，是数学的一个分支，主要研究的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。拓扑描述的是当一个物体在未被撕裂的条件下，被拉伸、扭曲或变形时保持不变的特性。因此，从拓扑方面来说，一只马克杯和一个硬面包圈是一样的，因为它们都只有一个开口，而蝴蝶脆饼则不同，因为它有两个开口。三名获奖者将拓扑概念应用于物理研究，这是他们取得成就的关键。

20世纪70年代初期，迈克尔·科斯特利茨和戴维·索利斯推翻了当时关于超导体和超流体无法在薄膜层中实现的理论。他们证明，超导体可以在低温环境下实现，并解释了其实现机制，以及使超导体在高温中消失的相变问题。20世纪80年代，戴维·索利斯用非常薄的导电层解释之前的一个实验。在这些导电层中，导电性可以用整数步骤精确测量出来。他证明了这些整数步骤是符合拓扑结构的。几乎在同一时期，邓肯·霍尔丹发现了如何用这些拓扑概念理解一些物质中发现的小磁铁链的特性。正因为戴维·索利斯参与了两项工作，所以独享一半奖金，邓肯·霍尔丹与迈克尔·科斯特利茨分享另一半奖金。

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什么是拓扑相变？

邓肯·霍尔丹

不同的物质形态称之为物质的不同“相”或物态。相变，也就是物质“变脸”的过程，即从一种相变换到另一种相的过程。比如水随着温度变化而在固、液、气三态之间的转化实际上就是相变的过程。相变过程通常伴随物质性质、性能的改变。物质的“拓扑性质”发生了变化，称之为“拓扑相变”。拓扑相变伴随的是拓扑数的变化。

绝缘体、导体、超导体……这些物质相可以变来变去，这些奇怪的材料能用于未来的电路。三位科学家开创性地使用数学的方法来解释物质在罕见状态下所发生的物理变化，比如超导体、超流体和薄磁膜。

他们的研究将改变人们的生活

诺贝尔奖委员会认为，当今人们所使用的“前沿技术”，比如电脑，根本上是依赖于人们理解和掌控材料性质的能力。三位获奖的物理学家用他们的理论发现解释了非常态的物质变化，建立了“拓扑相变”的数学概念，这为将来新材料的设计提供了新的物质特性的理论基础，这将引领未来重大的技术发展。其中一个重大的应用前景可能是量子计算机。

如果能够将拓扑绝缘体材料制成手机芯片，那么就有希望解决手机在长时间充电，或是连续使用时间过长后变得发烫的问题。这是由于拓扑绝缘体材料是一种边界上导电、体内绝缘的新型量子材料。导电的边界态由于独特的物理特性，在导电过程中不会发热。

另外，家用电力也和拓扑材料息息相关。每个家庭里使用的电力，最开始从发电厂输出时其实电压远不止220伏特，发电厂发出的其实是高压电。但较大一部分电流在通过电线输送到千家万户的过程中，都会产生损耗。如果能够将电线“改造升级”，使用超导材料或是拓扑绝缘体材料，那么便有希望大幅度降低电流“在路上”的损耗，降低了输电成本。

其实，拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑半金属在过去10年中一直处于凝聚态物理研究的前沿，现在随着诺贝尔物理学奖的颁发，此类技术可能会有更加明显的突破，使其商用的时间表可能不会很长。

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我国科学家在拓扑研究领域的成就

在拓扑研究领域，我国科学家也有不少值得称道的工作，一些研究还处于国际拓扑研究领域的前沿。早在2009年，中国科学院物理研究所方忠、戴希等与华人科学家张首晟合作，理论预言了目前最为广泛研究的拓扑绝缘体材料Bi2Se3家族。2014年底，中国科学院物理所方忠、戴希、翁红明研究团队，理论预言TaAs晶体是非磁性的外尔半金属。在他们的推动下，2015年，中国科学院物理所的陈根富小组制备出高质量样品，丁洪、钱天小组使用上海光源“梦之线”观测到了TaAs中的外尔费米子行为，这是该类特殊的电子第一次展现在世人面前。外尔半金属是拓扑半金属研究的一个重要方向。该研究成果被英国物理学会主办的《物理世界》评为“2015年度十大突破之一”，同时也被美国物理学会的《物理》评为“2015年度八大亮点工作”之一。除此之外，我国科学家预言了三维拓扑绝缘体并很快在实验上发现，进而推动了整个国际上拓扑绝缘体的研究热潮。

【责任编辑】蒲 晖