比引力波還紅！「跨界」諾獎「拓撲相變」：物質變身的第二條路

一塊看起來普通的碲化鉍石頭，卻不是你熟悉的「固體」，而是「拓撲絕緣體」。「拓撲」二字一加，物質的存在方式極大豐富。10月4日，三位美國人因為「拓撲相變」研究被授予2016年度諾貝爾物理學獎。

一種物質可以呈現出不同的相，比如純凈的碳可以是石墨，也可以是鑽石。物理學家朗道提出，物質從一種相變成另一種相，本質是高對稱狀態與低對稱狀態的轉變。從哪一個方向看分子結構都對稱的水，變成了特定方向看才對稱的冰，實質是它的對稱性下降了，或者說「破缺」了。

但是，朗道的理論在一種特殊情況下講不通——有些絕緣體變成導體，相肯定變了，但對稱性卻沒變化。後來才發現，這種相變，是因為物質的「拓撲性質」變了。大概說來，就是物質里某種像飯碗一樣的幾何結構（沒有洞）變成了手鐲（1個洞），又變成了眼鏡框（2個洞），改變了電子的運動環境。本來是幾何學的拓撲理論，引入到物質相變的研究，要感謝剛拿到諾獎的三位美國科學家。

「我讀著他們的文章開始了研究，對他們的工作非常敬佩，他們開創了整個拓撲物態的方向。」研究外爾費米子的中科院物理所翁紅明研究員接受科技日報記者採訪時說。二維和三維拓撲材料、量子反常霍爾效應、外爾費米子……近年來中國科學家的一些知名的物理突破，都與「拓撲相變」相關。

翁紅明說，拓撲材料不光是在實驗室里，在自然界也廣泛存在。此次被授予諾獎的美國科學家，做的是極具開放性的工作，後來的研究者已經拓展了非常遠，讓我們對自然界的認知又進了一步。中國科學家目前在這一領域的研究實力，是全球數一數二的的，在外爾半金屬、狄拉克半金屬等方向上領先世界。

絕緣體、導體、超導體……這些物質相可以變來變去，還可以「亦正亦邪」，「正邪不分」。比如說，拓撲絕緣體內部不導電，但是它的表面卻導電，而且能耗極低；還有些材料，表面是普通金屬，內部卻是超導體。所以大家期待這些奇怪的材料能用於未來的電路。

（圖片來自網路）

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