李劍龍

為什么鉆石和石墨都是由碳原子組成的，它們的價格和性質卻完全不一樣呢？那是因為碳原子的排列方式發(fā)生了變化。這樣的狀態(tài)突變在物理學中叫做相變。

物理學家曾經認為，物質的相變都是由原子重新排列引起的（如石墨在高溫高壓下變成鉆石），或者是由原子自旋重新定向引起的（如鋼針的磁化）。然而，當溫度降低到接近絕對零度時，某些物質會突然進入了一種全新的狀態(tài)，例如導體的電阻突然消失，變成超導體，流體會突然喪失黏滯性，變成超流體——但其中并沒有發(fā)生原子重排或自旋重新定向。

在20世紀70年代，出生于英國的三位凝聚態(tài)物理學家，戴維·索利斯（David Thouless）、鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）和邁克爾·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）從理論上研究了這種奇怪的相變。他們因此分享了2016年諾貝爾物理學獎。

三位物理學家的研究被冠以“拓撲量子物態(tài)”和“拓撲相變”的名字，其中都用到了數學中的拓撲概念。假如你將一個橡皮泥捏成的圓球變成立方體時，數學家認為它的拓撲性質沒有變化。只有當你用鉛筆在圓球上戳出一個透明窟窿時，它的拓撲性質才會改變。通俗地講，拓撲學研究一個幾何體上一共有幾個洞。

索利斯和科斯特利茨在研究一種極扁平材料在低溫下的超流體相變時，提出了以他們名字命名的KT相變。KT相變是一種拓撲相變，在其中起決定性作用的不是原子排列，而是一種小渦旋。渦旋就像三維幾何體上的洞一樣，是一種典型的拓撲不變量。當溫度很低時，這種極扁平材料中的順時針和逆時針渦旋成對出現，而且靠得很緊密。當溫度升高時，渦旋對就相互遠離，漸行漸遠。

霍爾丹研究了一種一維線性材料的“量子自旋鏈”，并同樣用拓撲的概念解釋了它的性質。

拓撲量子物態(tài)有別于我們通常見到的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，是一種全新的物質狀態(tài)，往往具有很多匪夷所思的性質。例如，清華大學的薛其坤研究團隊在2014年成功實現了一種叫做“拓撲絕緣體”的薄層物質。這種物質的內部是絕緣的，表面卻是超導的。并且，電子在它的表面只能單向運動，仿佛建立了一條快速的單行車道。這種奇怪的特性有可能幫助我們解決計算機芯片的散熱問題。

拓撲量子物態(tài)的理論研究為我們打開了一個全新的物質世界。諾貝爾獎會員會的成員漢森（Thors Hans Hansson）認為，該項研究可能應用于下一代電子器件和超導材料，甚至量子計算機中。

“看到你的英雄被授予榮譽總是很美好的，”帝國理工大學的固體物理學教授菲利普（Chris Phillips）說，“（今年的諾貝爾物理學獎）是一個真正的科學家的獎項。”