拓撲相變研究中國也很強

一塊碲化鉍石頭,普通人把它歸類為“固體”,但它的準確分類應該是“拓撲絕緣體”。“拓撲”二字一加,物質(zhì)的存在方式極大豐富。10月4日,三位美國人因為“拓撲相變”研究被授予2016年度諾貝爾物理學獎。而中國科學家近幾年也在這一領域大放異彩。

“我讀著他們的文章開始了研究,對他們的工作非常敬佩,他們開創(chuàng)了整個拓撲物態(tài)的方向。”研究外爾費米子的中科院物理所翁紅明研究員接受科技日報記者采訪時說。二維和三維拓撲材料、量子反�；魻栃�應、外爾費米子……近年來中國科學家的一些知名的物理突破,都與“拓撲相變”相關。

翁紅明說,拓撲材料不光是在實驗室里,在自然界也廣泛存在。此次被授予諾獎的美國科學家,做的是極具開放性的工作,后來的研究者已經(jīng)拓展了非常遠,讓我們對自然界的認知又進了一步。中國科學家目前在這一領域的研究實力,是全球數(shù)一數(shù)二的,在外爾半金屬、狄拉克半金屬等方向上領先世界。

清華大學教授薛其坤也表示,三位諾獎得主的奠基性理論工作之后,這一領域因2005年包括華裔著名物理學家張首晟在內(nèi)的科學家發(fā)現(xiàn)三維拓撲絕緣體材料得以發(fā)展。中國科學家也做出很多重要工作,在拓撲材料的合成、基本性質(zhì)表征以及物理效應的發(fā)現(xiàn)等方面,中國物理學家已經(jīng)處于國際第一梯隊。

一種物質(zhì)可以呈現(xiàn)出不同的相,比如純凈的碳可以是石墨,也可以是鉆石。物理學家朗道提出,物質(zhì)從一種相變成另一種相,本質(zhì)是高對稱狀態(tài)與低對稱狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。從哪一個方向看分子結構都對稱的水,變成了特定方向看才對稱的冰,實質(zhì)是它的對稱性下降了,或者說“破缺”了。

但是,朗道的理論在一種特殊情況下講不通——有些絕緣體變成導體,相肯定變了,但對稱性卻沒變化。后來才發(fā)現(xiàn),這種相變,是因為物質(zhì)的“拓撲性質(zhì)”變了。大概說來,就是物質(zhì)里某種像飯碗一樣的幾何結構(沒有洞)變成了手鐲(1個洞),又變成了眼鏡框(2個洞),改變了電子的運動環(huán)境。本來是幾何學的拓撲理論,引入到物質(zhì)相變的研究,要感謝剛拿到諾獎的三位美國科學家。

絕緣體、導體、超導體……這些物質(zhì)相可以變來變?nèi)?還可以亦正亦邪,正邪不分。比如說,拓撲絕緣體內(nèi)部不導電,但是它的表面卻導電,而且能耗極低;還有些材料,表面是普通金屬,內(nèi)部卻是超導體。所以大家期待這些奇怪的材料能用于未來的電路。