诺贝尔物理奖解读：拓扑相变之“美” 有望运用于芯片上

    北京时间今天下午5时45分，2016年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家——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工作。奖金的一半颁给华盛顿大学的索利斯，另一半由普林斯顿大学的霍尔丹与布朗大学的科斯特利茨分享。他们的理论研究取得了什么突破？有哪些应用价值？记者采访了多位科学家。

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”。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。1937年，苏联物理学家朗道发表了关于相变的普遍理论。这是一个经典理论，但科学家后来发现，不少实验结果与朗道理论的预测并不十分吻合。

    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相变时，发现了“KT相变”（以两人姓氏的首字母命名）。这是科学家发现的一种新型相变，不能用传统的朗道理论解释。“高温时的二维超流体仿佛湍急的水流，水中的漩涡大量产生；低温的二维超流体如同平静的水面，产生的漩涡很少。”漩涡其实是水面的拓扑缺陷。通过漩涡来刻画二维超流体从高温到低温的相变，就是KT相变。上世纪80年代，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，这个拓扑不变量是拓扑学里的“陈数”，以数学家陈省身的姓命名。。

    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”，发现如果自旋量子数是半整数，这个系统就没有能隙；如果自旋量子数是整数，就有能隙。他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。

    在拓扑绝缘体的研究和制备方面，我国科研人员近年来取得的一些成果，达到了国际先进水平。例如去年8月，上海交通大学贾金锋教授团队首次制备出名为“烯锡”的拓扑绝缘体，论文发表于《自然·材料学》。这种材料堪称“石墨烯的堂弟”，只有一个原子层，且有蜂窝状结构，具有很好的应用前景。

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、返璞归真，更是一种大美。

    她举例来说，很多人知道，门捷列夫当年推导出化学元素周期表，其中留出不少写明形状分子量的空格，被之后的研究者在自然界中相继发现，并一一填满。在拓扑相变理论这个漂亮的新视角之下，许多物理学家们也在做这样的“预言”——据此在已知的物相以外，推导哪些拓扑态、物相是可能存在的。一场崭新的、从已知探索未知的路，在这一理论的基础上，走向物理学研究新的前沿。