解读诺贝尔物理学奖：拓扑相变研究中国也很强

普通人把碲化铋石归类为“固体”，但它的准确分类应该是“拓扑绝缘体”。“拓扑学”这个词加起来就是一个，它极大地丰富了物质的存在。10月4日，三名美国人因其对“拓扑相变”的研究获得2016年诺贝尔物理学奖。近年来，中国科学家在这一领域也取得了巨大成就。

“我读了他们的文章，开始了我的研究。我非常钦佩他们的工作。他们开创了整个拓扑状态的方向。”中国科学院物理研究所研究费米子的研究员翁宏明在接受《科学技术日报》采访时说。二维和三维拓扑材料、量子反常霍尔效应、费米子等。中国科学家近年来的一些著名物理突破都与“拓扑相变”有关。

翁宏明说，拓扑材料不仅存在于实验室，而且广泛存在于自然界。这次被授予诺贝尔奖的美国科学家做了一项非常公开的工作。后来的研究人员已经扩展得很远，让我们对自然有了进一步的了解。目前，中国科学家在这一领域拥有世界上最好的研究能力之一，在威尔半金属和狄拉克半金属领域处于世界领先地位。

清华大学的薛其昆教授也表示，在三位诺贝尔奖得主开创性的理论工作之后，这一领域的发展得益于包括中国著名物理学家张首晟在内的科学家在2005年发现的三维拓扑绝缘体材料。中国科学家也做了很多重要的工作。在拓扑材料的合成、基本性质的表征和物理效应的发现方面，中国物理学家已经处于国际社会的第一梯队。

一种物质可以呈现不同的相态。例如，纯碳可以是石墨或金刚石。物理学家兰道指出，物质从一个相到另一个相的变化的本质是高对称性和低对称性的变化。具有对称分子结构的水从哪个方向变成了在特定方向上具有对称结构的冰，本质是它的对称性降低了，或者说“打破了”。

然而，朗道的理论在特殊情况下没有意义——一些绝缘体变成导体，相位一定改变了，但对称性没有改变。后来，人们发现这种相变是由于物质“拓扑性质”的变化。粗略地说，材料中的某种碗状几何结构(无孔)变成了手镯(1孔)和眼镜框(2孔)，改变了电子的运动环境。它最初是一种几何拓扑理论，由于三位刚刚获得诺贝尔奖的美国科学家，它被引入到物质相变的研究中。

绝缘体、导体、超导体...这些物质相可以从一个变化到另一个，也可以是正的或负的，没有正的和负的区别。例如，拓扑绝缘体内部不导电，但其表面是导电的，并且其能量消耗极低。还有一些材料，表面是普通金属，但里面是超导体。因此，人们希望这些奇怪的材料能用于未来的电路。