2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：物質(zhì)拓?fù)湎嗟陌l(fā)現(xiàn)

周璐

2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家——戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)拓?fù)湎啵约霸谕負(fù)湎嘧兎矫孀龀龅睦碚撠暙I(xiàn)。這三名科學(xué)家均在英國出生，目前分別在美國的華盛頓大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、布朗大學(xué)從事研究工作。今年的獲獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)打開了一扇通往未知世界的大門，他們的發(fā)現(xiàn)帶來了對(duì)物質(zhì)奧秘理解方面的突破，并創(chuàng)建了培育新材料的新視角。

他們發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)形態(tài)

對(duì)很多人來說，“拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷睂儆诹钊送返纳願(yuàn)W理論。普通人能看到氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)這常見的三種物態(tài)，但更深刻的層次有很多物質(zhì)態(tài)的分類。“拓?fù)湮飸B(tài)理論”補(bǔ)充了人們所熟悉的普通的物態(tài)變化，比如物質(zhì)如何從固體變?yōu)橐后w再變?yōu)闅怏w。

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什么是拓?fù)洌?/p>

所謂拓?fù)洌菙?shù)學(xué)的一個(gè)分支，主要研究的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。拓?fù)涿枋龅氖钱?dāng)一個(gè)物體在未被撕裂的條件下，被拉伸、扭曲或變形時(shí)保持不變的特性。因此，從拓?fù)浞矫鎭碚f，一只馬克杯和一個(gè)硬面包圈是一樣的，因?yàn)樗鼈兌贾挥幸粋€(gè)開口，而蝴蝶脆餅則不同，因?yàn)樗袃蓚€(gè)開口。三名獲獎(jiǎng)?wù)邔⑼負(fù)涓拍顟?yīng)用于物理研究，這是他們?nèi)〉贸删偷年P(guān)鍵。

20世紀(jì)70年代初期，邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯推翻了當(dāng)時(shí)關(guān)于超導(dǎo)體和超流體無法在薄膜層中實(shí)現(xiàn)的理論。他們證明，超導(dǎo)體可以在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，并解釋了其實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以及使超導(dǎo)體在高溫中消失的相變問題。20世紀(jì)80年代，戴維·索利斯用非常薄的導(dǎo)電層解釋之前的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。在這些導(dǎo)電層中，導(dǎo)電性可以用整數(shù)步驟精確測量出來。他證明了這些整數(shù)步驟是符合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。幾乎在同一時(shí)期，鄧肯·霍爾丹發(fā)現(xiàn)了如何用這些拓?fù)涓拍罾斫庖恍┪镔|(zhì)中發(fā)現(xiàn)的小磁鐵鏈的特性。正因?yàn)榇骶S·索利斯參與了兩項(xiàng)工作，所以獨(dú)享一半獎(jiǎng)金，鄧肯·霍爾丹與邁克爾·科斯特利茨分享另一半獎(jiǎng)金。

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什么是拓?fù)湎嘧儯?p>

鄧肯·霍爾丹

不同的物質(zhì)形態(tài)稱之為物質(zhì)的不同“相”或物態(tài)。相變，也就是物質(zhì)“變臉”的過程，即從一種相變換到另一種相的過程。比如水隨著溫度變化而在固、液、氣三態(tài)之間的轉(zhuǎn)化實(shí)際上就是相變的過程。相變過程通常伴隨物質(zhì)性質(zhì)、性能的改變。物質(zhì)的“拓?fù)湫再|(zhì)”發(fā)生了變化，稱之為“拓?fù)湎嘧儭薄Ｍ負(fù)湎嘧儼殡S的是拓?fù)鋽?shù)的變化。

絕緣體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體……這些物質(zhì)相可以變來變?nèi)ィ@些奇怪的材料能用于未來的電路。三位科學(xué)家開創(chuàng)性地使用數(shù)學(xué)的方法來解釋物質(zhì)在罕見狀態(tài)下所發(fā)生的物理變化，比如超導(dǎo)體、超流體和薄磁膜。

他們的研究將改變?nèi)藗兊纳?/p>

諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為，當(dāng)今人們所使用的“前沿技術(shù)”，比如電腦，根本上是依賴于人們理解和掌控材料性質(zhì)的能力。三位獲獎(jiǎng)的物理學(xué)家用他們的理論發(fā)現(xiàn)解釋了非常態(tài)的物質(zhì)變化，建立了“拓?fù)湎嘧儭钡臄?shù)學(xué)概念，這為將來新材料的設(shè)計(jì)提供了新的物質(zhì)特性的理論基礎(chǔ)，這將引領(lǐng)未來重大的技術(shù)發(fā)展。其中一個(gè)重大的應(yīng)用前景可能是量子計(jì)算機(jī)。

如果能夠?qū)⑼負(fù)浣^緣體材料制成手機(jī)芯片，那么就有希望解決手機(jī)在長時(shí)間充電，或是連續(xù)使用時(shí)間過長后變得發(fā)燙的問題。這是由于拓?fù)浣^緣體材料是一種邊界上導(dǎo)電、體內(nèi)絕緣的新型量子材料。導(dǎo)電的邊界態(tài)由于獨(dú)特的物理特性，在導(dǎo)電過程中不會(huì)發(fā)熱。

另外，家用電力也和拓?fù)洳牧舷⑾⑾嚓P(guān)。每個(gè)家庭里使用的電力，最開始從發(fā)電廠輸出時(shí)其實(shí)電壓遠(yuǎn)不止220伏特，發(fā)電廠發(fā)出的其實(shí)是高壓電。但較大一部分電流在通過電線輸送到千家萬戶的過程中，都會(huì)產(chǎn)生損耗。如果能夠?qū)㈦娋€“改造升級(jí)”，使用超導(dǎo)材料或是拓?fù)浣^緣體材料，那么便有希望大幅度降低電流“在路上”的損耗，降低了輸電成本。

其實(shí)，拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浒虢饘僭谶^去10年中一直處于凝聚態(tài)物理研究的前沿，現(xiàn)在隨著諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)，此類技術(shù)可能會(huì)有更加明顯的突破，使其商用的時(shí)間表可能不會(huì)很長。

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我國科學(xué)家在拓?fù)溲芯款I(lǐng)域的成就

在拓?fù)溲芯款I(lǐng)域，我國科學(xué)家也有不少值得稱道的工作，一些研究還處于國際拓?fù)溲芯款I(lǐng)域的前沿。早在2009年，中國科學(xué)院物理研究所方忠、戴希等與華人科學(xué)家張首晟合作，理論預(yù)言了目前最為廣泛研究的拓?fù)浣^緣體材料Bi2Se3家族。2014年底，中國科學(xué)院物理所方忠、戴希、翁紅明研究團(tuán)隊(duì)，理論預(yù)言TaAs晶體是非磁性的外爾半金屬。在他們的推動(dòng)下，2015年，中國科學(xué)院物理所的陳根富小組制備出高質(zhì)量樣品，丁洪、錢天小組使用上海光源“夢之線”觀測到了TaAs中的外爾費(fèi)米子行為，這是該類特殊的電子第一次展現(xiàn)在世人面前。外爾半金屬是拓?fù)浒虢饘傺芯康囊粋€(gè)重要方向。該研究成果被英國物理學(xué)會(huì)主辦的《物理世界》評(píng)為“2015年度十大突破之一”，同時(shí)也被美國物理學(xué)會(huì)的《物理》評(píng)為“2015年度八大亮點(diǎn)工作”之一。除此之外，我國科學(xué)家預(yù)言了三維拓?fù)浣^緣體并很快在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而推動(dòng)了整個(gè)國際上拓?fù)浣^緣體的研究熱潮。

【責(zé)任編輯】蒲 暉