2016年诺贝尔物理学奖揭晓 拓扑相变:开启一个未知世界

2016年10月05日08:48  来源:解放日报
 
原标题:2016年诺贝尔物理学奖授予三位在美国从事研究工作的科学家 拓扑相变:开启一个未知世界

戴维·索利斯 邓肯·霍尔丹 迈克尔·科斯特利茨 新华社发

北京时间昨天17时45分,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。
  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大一部分是“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。(记者 俞陶然 彭德倩)

(责编:汤诗瑶、陈苑)

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