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诺贝尔物理学奖的“拓扑相变和拓扑相物质”是

2019-10-25 17:39

  2016年诺贝尔物理学奖授予三位在美国高校从事研究工作的科学家戴维·索利斯,邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨,以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。

  如果一根绳子上打了个结,我们想解开这个结,却发现绳子是首尾相连的,那么去除绳结的唯一办法,就是把绳子割断。物理学家用其来比喻拓扑性质之坚固,这种结构就如同“获得保护”,不可以被轻易破坏。

  拓扑学其实是从数学的角度看物理,它本是数学的一个分支,主要研究的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。

  物质从一种相转变为另一种相的过程。通常认为,物质分为固相、液相、气相。而相变就是我们常见的固体的冰融化成液体的水,液体的水又可以变成水蒸气等等。

  以上的理解都只是人们熟知的常规世界。获得诺贝尔物理学奖主要是研究平面中的物理现象,在分布非常稀少的物质中,可以包含了数百万个原子,每个原子的行为都能用量子物理学来解释,而很多原子结合的时候又会显示出完全不同的特性。

  对于物质的新相变,未来有望应用于激动人心的的超导材料和电子学领域,甚至是未来的量子计算机中。

  展开全部2016年诺贝尔物理学奖揭晓,奖金的一半颁给美国华盛顿大学的David J. Thouless,另一半由美国普林斯顿大学的F. Duncan M. Haldane与布朗大学的J. Michael Kosterlitz共享,“因其发现物质拓扑相与拓扑相转变方面的理论工作”。

  今年的三位诺贝尔物理学奖得主采用先进的数学方法研究了物质的奇异状态,如超导体、超流体或磁性薄膜等等。他们的先驱性工作为搜寻物质的奇异新状态奠定了基础,或许能在未来的材料科学和电子学中找到用武之地。

  三位得主的核心成就,是他们在物理学中引入了拓扑的概念。拓扑(Topology)原本是一个数学概念,描述的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。20世纪70年代早期,Michael Kosterlitz和David Thouless颠覆了当时的理论,提出超导和超流性质的新模型,并解释了超导态可以在低温下出现,而在温度升高时消失这一转变(相变)的机制。

  20世纪80年代,Thouless在理论上解释了超薄层材料导电性呈整数式阶跃的特征,表明这些整数代表着材料的拓扑性质。而差不多在同一时间,Duncan发现了拓扑概念可以用来理解一维自旋链(一种一维线性材料)的磁学特性。

  到现在,物理学家已经发现了多种多样的拓扑相,不仅存在于薄层和线状结构中,也存在于普通的三维材料中。在过去的10年里,这一领域增长迅速,成了凝聚态物理学中的一支生力军。拓扑材料的研究不仅能帮助我们更深入地了解物质的奇异结构和状态,也为电子学和超导体领域带来了新的应用,或许还能助力未来量子计算机的研发,而这一切都归功于今年这三位诺贝尔物理学奖得主的研究。

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