诺贝尔物理奖解读:拓扑相变之“美” 有望运用于芯片上

2016-10-05 09:07:33来源: 解放网
    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。

关键字:诺贝尔

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/article_2016100512297.html
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