諾貝爾物理獎解讀：拓?fù)湎嘧冎懊馈?有望運用于芯片上

　　開創(chuàng)“物質(zhì)拓?fù)湎唷毖芯?/p>

　　何為“拓?fù)洹?斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授張首晟介紹，拓?fù)涫且粋€幾何學(xué)概念，描述的是幾何圖案或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)?！昂芏嗝绹顺渣c心時，右手拿著一只咖啡杯，左手拿著一個面包圈，這兩樣?xùn)|西的形狀看上去完全不一樣，但它們的拓?fù)湫再|(zhì)是一樣的，面包圈可以通過一系列形變，變成咖啡杯?！蔽锢韺W(xué)界公認(rèn)，索利斯、霍爾丹和科斯特利茨在上世紀(jì)70—80年代做的一系列研究，首次將拓?fù)鋵W(xué)原理引入凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，具有開創(chuàng)性意義。

　　所謂“相變”，是物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程，并伴隨物質(zhì)性質(zhì)的改變。物質(zhì)系統(tǒng)中，物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同，與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為“相”。與固、液、氣三態(tài)對應(yīng)，物質(zhì)有固相、液相、氣相。1937年，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道發(fā)表了關(guān)于相變的普遍理論。這是一個經(jīng)典理論，但科學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)，不少實驗結(jié)果與朗道理論的預(yù)測并不十分吻合。

　　復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授陳鋼介紹，上世紀(jì)70年代，索利斯和科斯特利茨合作，在研究二維材料有限溫度下的超流相變時，發(fā)現(xiàn)了“KT相變”(以兩人姓氏的首字母命名)。這是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新型相變，不能用傳統(tǒng)的朗道理論解釋。“高溫時的二維超流體仿佛湍急的水流，水中的漩渦大量產(chǎn)生;低溫的二維超流體如同平靜的水面，產(chǎn)生的漩渦很少?！变鰷u其實是水面的拓?fù)淙毕荨Ｍㄟ^漩渦來刻畫二維超流體從高溫到低溫的相變，就是KT相變。上世紀(jì)80年代，索利斯等人用拓?fù)鋵W(xué)原理描述整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的TKNN不變量，這個拓?fù)洳蛔兞渴峭負(fù)鋵W(xué)里的“陳數(shù)”，以數(shù)學(xué)家陳省身的姓命名。。

　　霍爾丹之所以被授予諾獎，也與“拓?fù)洹庇嘘P(guān)。上世紀(jì)80年代，他系統(tǒng)地研究了一種一維線性材料的“量子自旋鏈”，發(fā)現(xiàn)如果自旋量子數(shù)是半整數(shù)，這個系統(tǒng)就沒有能隙;如果自旋量子數(shù)是整數(shù)，就有能隙。他指出了這種物理現(xiàn)象背后的拓?fù)湓??！?/p>

　　有望催生量子計算機

　　這些關(guān)于物質(zhì)拓?fù)湎嗟拈_創(chuàng)性研究，給凝聚態(tài)物理學(xué)帶來了深遠(yuǎn)影響，也為一系列“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。上海交通大學(xué)物理與天文系教授王孝群表示，如今物理學(xué)界研究的一大熱點“拓?fù)浣^緣體”，就與三位諾獎得主的貢獻(xiàn)有關(guān)。

　　據(jù)介紹，拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與普通絕緣體一樣，是不導(dǎo)電的，但是在它的邊界或表面存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)。在這類神奇的材料上，不同自旋的導(dǎo)電電子的運動方向相反，所以信息的傳遞可以通過電子自旋，而不像傳統(tǒng)材料那樣通過電荷，所以不涉及耗散過程。在這一領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)的張首晟以芯片為例，解釋說：“電子在芯片里的運動，就像一輛輛跑車在集市里行駛，不斷地碰撞，產(chǎn)生熱量。你們把筆記本電腦放在腿上，時間一長就感覺很燙。正是電子間碰撞產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致摩爾定律將失效。”而拓?fù)浣^緣體好似為電子建立了高速公路，讓電子在一條條“單向車道”上運行。如果用這類材料制造芯片，計算機、手機等電子設(shè)備的性能有望大幅提升?？萍冀邕€有望利用拓?fù)浣^緣體制造出量子計算機。

　　在拓?fù)浣^緣體的研究和制備方面，我國科研人員近年來取得的一些成果，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。例如去年8月，上海交通大學(xué)賈金鋒教授團(tuán)隊首次制備出名為“烯錫”的拓?fù)浣^緣體，論文發(fā)表于《自然·材料學(xué)》。這種材料堪稱“石墨烯的堂弟”，只有一個原子層，且有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有很好的應(yīng)用前景。

　　物理學(xué)家眼中的“漂亮”

　　“我覺得，這三位‘大牛’得諾獎，似乎有些遲了，”復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授孔令欣說。在她看來，理論物理學(xué)界對物質(zhì)的“相”的認(rèn)知，因