获得诺贝尔奖的拓扑相和拓扑相变是什么？
2016-10-05 14:39阅读：
获得诺贝尔奖的拓扑相和拓扑相变是什么？
2016年诺贝尔物理学奖，授予戴维·索利斯（David
Thouless），与邓肯·霍尔丹（Duncan
Haldane）和迈克尔·科斯特利茨（Michael
Kosterlitz），以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。拓扑学是三位得奖者能做出这一成就的关键，它解释了为什么薄层物质的的电导率会以整数倍发生变化。
获奖者打开了一个未知的世界，物质可以以一种奇怪的状态存在，他们利用先进的数学方法来研究不同寻常物质状态，如超导体、超流体或磁膜等。由于他们的开创性工作，许多人希望未来这种研究将会对材料学和电子学产生革命性影响。感谢他们出色的工作，如今，人类对物质的新奇相态的研究正在展开，材料科学和电子学的未来应用前景充满希望。
三位获奖者使用了物理拓扑的概念，给他们后来的发现起到了决定性作用。
拓扑学是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。拓扑英文名是Topology
，直译是地志学，最早指研究地形、地貌相类似的有关学科。几何拓扑学是十九世纪形成的一门数学分支，它属于几何学的范畴。有关拓扑学的一些内容早在十八世纪就出现了。那时候发现一些孤立的问题，后来在拓扑学的形成中占着重要的地位。
三位科学家采用拓扑学作为研究工具，这一举动在当时让同行感到吃惊。在上世纪70年代早期，当时的理论认为超导现象和超流体现象不可能在薄层中产生，而Michael
Kosterlitz 和David Thouless推翻了这一理论。他们证明了超导现象能够在低温下产生，并阐释了超导现象在较高温度下也能产生的机制——相变。
后来到了80年代，Thouless成功地解释了之前的一个实验，即超薄导电层中的电导系数可被精确测量到整数。他证明了这些整数在自然属性中处于拓扑状态。同时，Duncan
Haldane发现，可以用拓扑学来理解某些材料中的小磁体链的性质。
现在，我们已经知道拓扑相有很多种，它们不仅存在于薄层和线状物，还存在于普通的三维材料中。过去十年里，这一领域的研究促进了凝聚态物理研究的前沿发展，人们不仅仅对拓扑材料能够在新一代电子器件和超导体中产生应用抱有希望，而且看好其在未来量子计算机方面的应用。此刻，许多研究人员仍在慢慢揭开奇异世界里物质的秘密，而这个奇异世界，是由今年的三位获奖者发现的。
一般来说，物质分固相、液相、气相，相变指的就是物质从一种相转变为另一种相的过程，比如固体的冰融化成水，液态的水受热后变成水蒸气。但是，如果物质变得极薄的时候，物质的相还存在吗？
评选委员会介绍说，平面中的物理现象和我们认知的周围世界是截然不同的，甚至分布非常稀疏的物质中也包含了数百万个原子，每个原子的行为都可以用量子物理学来解释，而很多原子结合的时候却显示完全不同的属性。三位获奖者的研究成果正是揭示了拓扑性质在量子物态和量子相变中的决定性影响。
正如瑞典皇家科学院所说，今年的获奖研究成果开启了一个未知世界的领域。得益于这三位获奖者开创性的研究，科学家们现在可以继续探索物质的新相变。研究人员认为，拓扑材料将在未来的电子和超导体以及量子计算机研发中得到应用。
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