诺贝尔物理学奖“拓扑相变”风头盖过引力波探测

相关应用有望让手机不再发烫

2016年10月06日  来源： 扬子晚报

戴维·索利斯

邓肯·霍尔丹

迈克尔·科斯特利茨

　　瑞典皇家科学院4日将2016年诺贝尔物理学奖授予戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨这三名科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。今年诺贝尔物理学奖奖金共800万瑞典克朗（约合93.33万美元），索利斯将获得其中一半，霍尔丹与科斯特利茨将共享另一半。

　　花絮

　　拓扑是什么？请看面包圈

　　在诺贝尔物理学奖发布仪式上，评奖委员会成员突然郑重地捧出一袋子面包，他用没有洞的肉桂面包、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面包解释起了拓扑是怎么回事——在拓扑上，这几种结构是完全不一样的，因为洞的数量不一样。

　　以“数学之眼”看物理　开启“未知世界的领域”

　　什么成就，竟然盖过了今年风头正旺的国际物理界大头条——引力波探测，一举拿下今年诺贝尔物理学奖？没错，正是看似冷门却并不寂寞的拓扑相变领域的研究。

　　拓扑学是数学的一个分支。据诺贝尔奖评选委员会介绍，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。

　　科斯特利茨和索利斯的研究集中在一个平面世界中的“怪现象”，相比于通常描述的三维世界，他们发现极薄层的表面或内部可以被认为是二维的，那里一种被称为“超流体到正常流体的相变”，主要决定因素与人们以往的认识完全不同。霍尔丹则发现可以利用拓扑概念来解释一些材料中存在的小磁铁链的特性。

　　瑞典皇家科学院在公报中说，今年的获奖研究成果开启了一个未知世界的领域，获奖者利用高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态，如超导体、超流体和薄磁膜。得益于他们开创性的研究，科学家们现在可以探索物质的新相变。研究人员认为，拓扑材料将在未来的电子和超导体以及量子计算机研发中得到应用。

　　具体成就

　　●上世纪70年代，索利斯和科斯特利茨用拓扑理论推翻了当时超导性和超流体不能在薄层中存在的理论，并证明了超导性可在低温状态存在，解释了其在温度升高时消失的机制与相变。

　　●到了上世纪80年代，索利斯又对之前的一项实验做出解释，即超薄导电层的导电率可以实现整数级精确度量，证明了这些整数本身的自然属性都是拓扑状态。

　　●霍尔丹发现，原子磁性的不同使小磁铁链条呈现出完全不同的属性。霍尔丹还在量子霍尔效应方面做了许多开创性工作。

　　3人均为英国背景美国任职

　　这三名科学家均在英国出生，目前分别在美国的大学从事研究工作。戴维·索利斯，1934年生于英国，供职于美国华盛顿大学。邓肯·霍尔丹，1951年生于英国，供职于美国普林斯顿大学。迈克尔·科斯特利茨，1942年生于英国，供职于美国布朗大学。

　　扬子晚报记者连线

　　“拓扑相变”其实没那么“不接地气”

　　用上了拓扑绝缘材料， 未来你的手机可能不再发烫

　　昨天下午，诺贝尔物理学奖一经颁出，不少围观网友立刻陷入“懵圈”状态：“拓扑相变”和“拓扑相”到底是怎么一回事？这么高冷的理论研究，和我们的生活有联系吗？扬子晚报记者邀请到了中组部第十一批千人计划“青年项目”入选者，南京大学物理学院博士生导师张海军教授进行了科普解读。 扬子晚报记者 杨甜子

　　概念A

　　拓扑：从茶杯到轮胎

　　拓扑学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。例如，一个有把手的茶杯连续变化成轮胎，而不是一个球。

　　超薄层材料导电性呈整数式阶跃的特征，可以用材料的拓扑性质来解释。

　　拓扑学的概念很特别：

　　它以“洞”为单位来区分

　　一个甜甜圈等于一个有手柄的茶杯，一个橙子等于一个长方体，这些看似完全错误的“等式”在拓扑学家眼里却是“正确”的。张海军教授告诉记者，在拓扑学家眼中，物体的几何性质不仅可用寻常的“形状”或是“大小”来区分，也可用“洞”的数量来衡量，这就是物体的拓扑性质。甜甜圈和有手柄的茶杯虽外形不同，但共同点是都有“一个洞”，而橙子和长方体都“没有洞”，因此，这两种原本风马牛不相及的物体，在拓扑学的概念里都是同一类。

　　兴许是知道“拓扑”的概念过于深奥，在昨天下午的诺奖颁奖典礼上，科学家们也破例在颁奖现场拿出了三个不同的面包，做了实物演示。一个洞都没有的肉桂面包，有一个洞的甜甜圈和含有两个洞的碱水面包虽然在寻常的概念里都属于面包，但在拓扑学的定义里，这三个面包完全属于三类，“毫无关系”。

　　和我们的生活最接近的拓扑学结构，恐怕要算“莫比乌斯环”。将一个纸条扭转180°后，两头再粘起来做成的纸带圈，纸带便立刻拥有了魔术般的性质，只剩下了一个“表面”和一个边界。如果从中间剪开一个莫比乌斯环，你不会得到两个窄的纸带，而是会形成一个把纸带的头扭转了两次后再粘在一起的环。这就是拓扑学结构在生活中最常见的“存在”。

　　概念 B

　　相变：滑梯还是台阶

　　相变是指，物质在外界条件连续变化时，从一种“相”突然变成另一种“相”的过程，比如冰融化成水。日常生活中最常见的“相”是气态、液态和固态。在一些极端的条件下，如极高温度或极低温度，会出现很多更为奇异的状态。在日常生活中，物质的变化曲线应该是连续的，像滑梯一样。但某些状态下，电导率的变化却类似于“台阶”。

　　“拓扑相变”和生活有何联系

　　相关应用可大幅降低电耗

　　张海军教授告诉记者，拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑半金属如今已成热议话题。过去十年中，这些技术一直处于凝聚态物理研究的前沿。未来，拓扑绝缘体材料有望改变我们的生活。

　　这项研究最大的“受益者”，估计是长时间抱着手机不放的“低头族”。未来，你的手机可能不再发烫。拓扑绝缘体材料是一种边界上导电，体内绝缘体的新型量子材料。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。张海军教授表示，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。

　　家用电力也和拓扑材料息息相关。张海军教授举例，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。

　　记者了解到，在过去十多年中，科研工作者在拓扑材料研究领域取得了丰硕的成绩。譬如，2013年清华大学薛其坤院士的研究团队已经成功实现了量子反常霍尔效应，为相关的具体应用和推广敲开了大门。人们对拓扑物质态的研究充满憧憬，希望拓扑材料在不远的将来被应用于新一代电子器件或未来的量子计算机中。