万物皆可拓扑？有着奇妙拓扑态的材料其实无处不在
“脆弱拓扑”是一种新发现的量子现象，它能使材料获得奇特而令人兴奋的性质。
隐藏在材料中的数学变得越来越神奇。物质的拓扑状态(由于电子的“扭结”量子态的奇怪性质)已经从一个罕见的好奇心变成了物理学中最热门的领域之一。现在，理论物理学家意识到拓扑学无处不在，并认为它是固体物质形式中最重要的一环。
两层以一定角度扭曲的石墨烯似乎呈现出一种被称为“脆弱拓扑”的现象。朱丽叶·哈尔西的《自然》
在过去的几年里，物理学家发现了一种“脆弱”的拓扑结构，这种结构可能出现在几乎所有的固体晶体中。六月份发表在《自然》杂志上的另一项研究描述了碳基设备中电子的脆弱结构。一旦得到证实，这将是脆弱拓扑的第一个实验证据。
现在说这些发现是否会影响实际材料还为时过早，但研究人员发现，这一理论可能能够解释某些类型的超导性。他们说，这种现象在光子学中也很重要，光子学是利用光脉冲而不是电子传输信息的技术。对于使用超级计算机来模拟物质行为的研究人员来说，他们也可能受到脆弱拓扑理论的影响。
最新研究表明，脆弱的拓扑“不仅仅是一个激进的学术无底洞”。哈佛大学研究凝聚态物质的理论物理学家阿什文·维斯瓦纳特说:“虽然这个领域刚刚诞生，但我很难跟上它。”
环路几何
拓扑是数学的一个分支。它研究物体的连续变形。也就是说，物体不能被切割或分割。因此，连接在一起的两个环不能被切割成两部分。在某些材料中，电子可以处于“扭结”量子态，例如，这种量子态可以保持电子向某个方向运动，因为改变路径意味着它会突然改变状态，这相当于切断扭结。
因此，物理属性是“由拓扑保证的”。最著名的例子是1980年在一些二维导电材料中发现的量子霍尔效应。它的电阻不受温度等变量微小变化的影响。这种效应非常强，甚至在五月份国际单位制改革时，它被用作电阻单位“欧姆”的定义。三维系统中的类似效应允许一类称为拓扑绝缘体的材料(字面意思)在外边缘成为理想导体，而绝缘体在材料内部。
据信，具有这些坚固特性的“强拓扑”材料作为热电材料，即，将热能转化为电能的材料，具有非常有前景的前景。一些物理学家希望这种材料能成为未来拓扑量子计算机的基础。当解决一些问题时，这种计算机比经典计算机有指数级的进步。
强拓扑性质来自电子量子态的奇怪性质:它不像岩盐这样的普通绝缘体那样被一个原子完全包围。拓扑材料中有一些“离域”的电子，它们共享影响整个材料的量子态。
然而，根据理论计算，一些材料具有离域电子，但不具有强拓扑性质。换句话说，在大量的离域量子态中，强拓扑材料只是其中之一。此外，还有另一类电子态可以忽略小扰动，但不如强拓扑态健壮。例如，一点点变化，晶体中杂质的一点点变化，就能成为一种常见的材料。在2018年的一篇文章中，维斯瓦纳斯的团队称这种现象为“脆弱的拓扑”
扭转发现
起初，物理学家不确定脆弱的拓扑结构是否真的重要。但是在2018年3月一个意想不到的发现，一切都变了。物理学家发现，在两层石墨烯(单原子厚度的碳片)堆叠后，如果交角被扭曲成几个幻数，就会发生超导，即零电阻传导。维斯瓦纳特和其他人很快计算出扭曲的石墨烯中包含的一些电子态呈现出脆弱的拓扑结构。维斯瓦纳特说，这“太棒了”。“我们认为这没用。后来我发现它很有用。”
尚不清楚脆弱的拓扑状态对于扭曲的石墨烯产生超导性是否真的有意义。众所周知，强拓扑状态显示可测量的现象。脆弱拓扑的影响可能更加微妙。
然而，一些物理学家认为脆弱的拓扑肯定会影响材料的某些行为，因为它们比强拓扑更常见。研究表明，大约四分之一的材料具有很强的拓扑结构。然而，在五月份发表在arXiv上的预印本中，物理学家发现几乎所有的材料都有处于脆弱拓扑状态的电子。他们系统地搜索了已知晶体的数据库，寻找脆弱的拓扑结构，发现了数十万个脆弱拓扑结构的例子。这篇文章的第一作者、普林斯顿大学的理论物理学家安德烈·伯尼维格(Andrei Bernevig)说，如果把脆弱的拓扑结构考虑在内，“似乎几乎所有的材料都有某种拓扑状态”。
现在，脆弱拓扑的第一手实验证据已经开始出现。六月份发表在《自然》杂志上的一篇论文发现了无扭曲双层石墨烯中脆弱拓扑的证据。由加州大学圣巴巴拉分校的约书亚岛领导的研究小组正试图制造一种基于石墨烯的强拓扑绝缘体，作为未来拓扑量子计算机的存储器。他们将石墨烯夹在另一种二维材料钨二硒化物的两层之间，并施加电场。结果，当电场改变时，器件边缘的电子运动被记录下来，这正是拓扑绝缘体应该显示的。"当我们看到这种新的事物状态时，我们将很快研究正在发生的事情."海岛说。
然而，其他测量数据显示，这不可能是传统的拓扑绝缘体。因此，岛屿转向另一个理论物理学家同事，他意识到这是脆弱拓扑状态的第一个实验证据[7]。
更改算法
脆弱拓扑可能影响材料物理特性的数值模拟。西施大学研究脆弱拓扑的理论凝聚态物理学家詹尼弗·卡诺说，为了简化超级计算机的计算材料，研究人员通常会简化假设，当脆弱拓扑状态存在时，这些假设可能不再有效。
与固体材料相比，光导器件在实验中更容易观察到易碎的拓扑结构。这一现象也可能更为显著。麻省理工学院的物理学家托马斯·克里斯滕森说，根据他的初步计算，光子学中提出的许多“拓扑”器件可能是脆弱拓扑的例子。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论物理学家巴里·布拉德林(Barry Bradlyn)说，尽管我们还不知道脆弱的拓扑是否会产生大量的应用，但至少理论物理学家对此很感兴趣。他与人合著了一篇关于脆弱拓扑的早期论文《[4》。他说这种脆弱的拓扑“违反了”关于材料中电子状态的“传统假设”。