拓扑相变研究中国也很强

一块碲化铋石头,普通人把它归类为“固体”,但它的准确分类应该是“拓扑绝缘体”。“拓扑”二字一加,物质的存在方式极大丰富。10月4日,三位美国人因为“拓扑相变”研究被授予2016年度诺贝尔物理学奖。而中国科学家近几年也在这一领域大放异彩。

“我读着他们的文章开始了研究,对他们的工作非常敬佩,他们开创了整个拓扑物态的方向。”研究外尔费米子的中科院物理所翁红明研究员接受科技日报记者采访时说。二维和三维拓扑材料、量子反常霍尔效应、外尔费米子……近年来中国科学家的一些知名的物理突破,都与“拓扑相变”相关。

翁红明说,拓扑材料不光是在实验室里,在自然界也广泛存在。此次被授予诺奖的美国科学家,做的是极具开放性的工作,后来的研究者已经拓展了非常远,让我们对自然界的认知又进了一步。中国科学家目前在这一领域的研究实力,是全球数一数二的,在外尔半金属、狄拉克半金属等方向上领先世界。

清华大学教授薛其坤也表示,三位诺奖得主的奠基性理论工作之后,这一领域因2005年包括华裔著名物理学家张首晟在内的科学家发现三维拓扑绝缘体材料得以发展。中国科学家也做出很多重要工作,在拓扑材料的合成、基本性质表征以及物理效应的发现等方面,中国物理学家已经处于国际第一梯队。

一种物质可以呈现出不同的相,比如纯净的碳可以是石墨,也可以是钻石。物理学家朗道提出,物质从一种相变成另一种相,本质是高对称状态与低对称状态的转变。从哪一个方向看分子结构都对称的水,变成了特定方向看才对称的冰,实质是它的对称性下降了,或者说“破缺”了。

但是,朗道的理论在一种特殊情况下讲不通——有些绝缘体变成导体,相肯定变了,但对称性却没变化。后来才发现,这种相变,是因为物质的“拓扑性质”变了。大概说来,就是物质里某种像饭碗一样的几何结构(没有洞)变成了手镯(1个洞),又变成了眼镜框(2个洞),改变了电子的运动环境。本来是几何学的拓扑理论,引入到物质相变的研究,要感谢刚拿到诺奖的三位美国科学家。

绝缘体、导体、超导体……这些物质相可以变来变去,还可以亦正亦邪,正邪不分。比如说,拓扑绝缘体内部不导电,但是它的表面却导电,而且能耗极低;还有些材料,表面是普通金属,内部却是超导体。所以大家期待这些奇怪的材料能用于未来的电路。