“拓扑相变”研究中国也很强

最近，三名美国人因其对“拓扑相变”的研究获得了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。二维和三维拓扑材料，量子反常霍尔效应，威尔费米子...中国科学家的一些著名物理突破都与“拓扑相变”有关。

“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说，拓扑材料不仅在实验室里，而且在自然界都可以广泛获得。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的研究实力是世界上最好的之一，在外层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认为，在三位诺贝尔奖得主开创性的理论工作之后，这一领域的发展是由于包括中国著名物理学家张首晟在内的科学家在2005年发现了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...这些物质相可以变化。它们也可以是积极的或消极的。积极和消极之间没有区别。这些奇怪的材料可以用于未来的电路。

发现新的材料形式

在诺贝尔奖颁发之前，复旦大学物理系的时宇教授在科学网博客上预测，这可能是一个拓扑方向的研究奖。

"果然，这个奖项是为了研究拓扑相变和拓扑相物质."时宇在接受《中国科学报》采访时说，“拓扑学原本是数学的一个分支，但今年获奖的研究具有某种物理性质。”

拓扑学描述了一个物体在没有被撕裂的情况下被拉伸、扭曲或变形时保持不变的特性。拓扑学的目标是通过一些基本特征来描述形状和结构，例如凹坑的数量。因此，从拓扑上讲，杯子和百吉饼是一样的，因为它们都只有一个开口，而蝴蝶饼干是不同的，因为它有两个开口。

"这三个人的主要贡献是将拓扑学的概念应用到物理学中."中国科学院物理研究所所长王宇鹏在接受《中国科学日报》采访时说。

20世纪70年代早期，当时的理论认为超导性和超流性不能在薄层中产生，但迈克尔·科斯特利兹和大卫·索利斯推翻了这一理论。他们证明了超导性可以在低温下发生，并解释了高温下超导性的机制——相变。

后来，在20世纪80年代，大卫·索利斯成功地解释了一个早期的实验，即超薄导电层的电导率可以精确地测量为一个整数。他证明了这些整数本质上是拓扑的。与此同时，邓肯·霍尔丹发现拓扑学可以用来理解某些材料中的小磁链的性质。

仅仅因为大卫·索利斯参加了两份工作，他就享受了一半奖金，邓肯·霍尔丹与迈克尔·科斯特利兹分享了另一半奖金。

“他们发现了一种新的物质形式——拓扑物质状态。普通人可以看到气体、液体和固体，这是物质的三种常见状态。物质状态在更深层次上有许多分类。”王宇鹏解释道，“例如，电子在导电时会流动，在物理上可以被认为是液体。”

促进凝聚态物理的发展

今年的诺贝尔物理学奖获得者为未知世界打开了一扇门。他们的发现为理解物质奥秘理论带来了突破，并为培育新材料创造了新的视角。

"他们三个做了开创性的工作。"王宇鹏说，“近年来非常热的拓扑绝缘体、热离子半金属和量子反常霍尔效应都是拓扑材料状态。”

有许多已知的拓扑相，它们不仅存在于薄层和细线中，也存在于普通的三维材料中。近十年来，该领域的研究促进了凝聚态物理的前沿发展。人们不仅希望拓扑材料能够应用于新一代电子器件和超导体，而且对其在量子计算机中的应用前景也有很好的展望。

"新材料、量子计算和信息科学已经被广泛应用."时宇告诉记者，量子是一种非常敏感和容易受影响的物质。如果与拓扑物质结合，将会得到一个非常稳定的状态，这对研究有很大的帮助。

量子霍尔效应获得了两项诺贝尔奖:1980年，德国科学家冯·克利钦发现了“整数量子霍尔效应”，并于1985年获得了诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华人物理学家崔琦和美国物理学家斯托默发现了“分数量子霍尔效应”。很快，美国物理学家劳弗林给出了一个理论解释，三人分享了1998年诺贝尔物理学奖。

“三位获奖者的工作是对物质整体拓扑状态的深刻理解，不仅限于量子霍尔效应。”王宇鹏说，“它确实得到了物理学家的认可，并在物质世界中得以实现。”

今天，许多研究人员仍在缓慢地揭开今年三位获奖者发现的奇怪世界中的物质秘密。

拓扑状态研究中的中国力量

从1973年至今，近40年的研究，尤其是与拓扑学相关的研究，一直非常热。你以前为什么没有获奖？中国科学院物理研究所研究员曹则贤在接受《中国科学》杂志采访时表示，这项工作意义重大，但以前只是理论研究。经过多年对真空技术和材料的研究，人们可以找到具有拓扑性质的东西，这反过来证明了以前研究的伟大。

我国的基础理论研究始于20世纪70年代和80年代，为拓扑绝缘子的兴起做出了重要贡献王宇鹏说。

2010年，中国科学院物理研究所的和戴带领的团队与教授合作，在理论和材料设计方面取得突破。他们提出，掺有铬或铁磁性离子的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3基团的拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。2013年，由中国科学院物理研究所的何科、吕莉、村、王丽丽、、戴组成的团队，以及清华大学物理系的薛启坤、、王、陈、贾金峰组成的团队，共同攻关。最后，在掺铬(铋，锑)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中成功地观察到了量子反常霍尔效应。

量子反常霍尔效应的理论预测是由今年的诺贝尔奖获得者之一邓肯·霍尔登做出的。1988年，他提出可能存在不需要外部磁场的量子霍尔效应，但多年来，他一直未能找到实现这种特殊量子效应的材料系统和具体物理方法。

此外，中国科学家对三维拓扑绝缘体进行了预测，并很快在实验中发现，推动了全球拓扑绝缘体的研究热潮。首先，我们预测并观察了外费米子。量子计算机的研究已经取得了进展...这些都是拓扑状态研究中的中国力量。

“在过去的七、八年里，中国在拓扑材料状态方面的研究在世界上做出了显著的贡献。”王宇鹏说。