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    文摘报 2016年10月11日 星期二

    拓扑相变:开启未知世界

    《 文摘报 》( 2016年10月11日   07 版)

        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。

        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”。

        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。

        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。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。

        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。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。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。

        (《解放日报》10.5 俞陶然 彭德倩)

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