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开启研究奇异物质的大门
Tuesday, October 4, 2016 13:45
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  (原标题:开启研究奇异物质的大门)

  据新华社斯德哥尔摩10月4日电 (记者 和苗 付一鸣) 瑞典皇家科学院4日宣布,将2016年诺贝尔物理学奖授予戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨这三名科学家,以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。

  这三名科学家均在英国出生,目前分别在美国的华盛顿大学、普林斯顿大学、布朗大学从事研究工作。

  本报杭州10月4日讯 (记者 曾福泉) 今年的诺贝尔物理学奖授予了拓扑相变及拓扑材料领域的理论发现。3位获奖者以极具开创性的工作,为人类开启了研究奇异物质的大门。现在,不少中国科学家和全球同行一起,正在他们的开创性理论引导下,探索超导体、超流体、超薄磁膜等非同寻常的物质状态,并逐渐将其用于改造我们的日常生活。10月4日晚,记者经多方联系,连线采访了北京大学物理学院量子材料科学中心博士生导师王健研究员解读3位获奖者的工作。

  在获得诺奖前,戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨两位科学家的名字就已经永远留在了著名的“KT相变理论”中,K和T分别代表“科斯特利茨”和“索利斯”。王健说,“KT相变理论”为二维超导研究打下了基础,现在,二维超导已经是非常热门的物理学前沿领域,诞生了许多令人振奋的新发现。

  “二维”指的是一类厚度几乎可以忽略不计的物质状态,也就是一种薄得可以被视为只剩下长和宽两个维度的薄膜。戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨在20世纪70年代开始研究这种奇异的物质,他们通过理论计算提出:二维物质的平面存在着微小的涡旋。低温时,这些涡旋都是配对存在的;一旦温度上升越过临界值,这些涡旋就互相远离并在材料中独立运动。“他们指出,这也是一种相变,即物质状态的变化,但不同于我们日常习见的水结成冰的相变,科学家称之为拓扑相变。”王健说,“KT相变理论”之后被大量的实验所证实,成为一个被广泛使用的理论工具。也正是在“KT相变理论”指引下,人们证明了低温二维超导现象是存在的——此前,二维超导被认为是不可能的。

  超导现象之所以如此吸引人,是因为它将为人类的生产生活带来巨大的改变。在低温下,二维物质将不会带有电阻,电流流经这些材料就不会产生任何耗散,直观地说就是不会发热。“低耗散是电子元器件追求的重要目标。现在,阻碍我们研究出更小、更快的电子芯片的一大因素就是耗散带来的发热。”王健说。

  邓肯·霍尔丹的工作同样成为人们寻找低耗散材料的理论基础。他将数学上的拓扑概念引入了对物质材料的研究中。这里我们再度遇到拓扑这个概念,拓扑描述了当一个对象被拉伸、扭曲或变形时保持不变的属性。从拓扑层面讲,一个球和一个碗属于同一范畴,因为一个球形的粘土块可以转化成一个碗。但是,一个中间有孔的面包和手柄处有孔的咖啡杯就属于另一个范畴。诺奖颁奖现场,诺奖委员会官员拿出实心肉桂面包、有一个洞的甜甜圈和有两个洞的碱水面包,生动地解释了拓扑。

  霍尔丹用拓扑概念来描述材料的导电率,并为物质材料带来了新的分类方式。“比如,之前人们把材料分为导体和绝缘体。现在,我们发现对于绝缘体而言,又有普通绝缘体和拓扑绝缘体之分,拓扑绝缘体在其表层仍是能导电的。”王健说。拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑金属如今已成为热议话题。在过去的十年中,这些技术一直处于凝聚态物理研究的前沿,现在,人们希望拓扑材料能被应用于新一代电子超导体或未来的量子计算机中。

  今天颁奖现场介绍获奖成果时所用的一张配图,来自清华大学薛其坤院士“量子反常霍尔效应”研究系列论文,曾经发表在《科学》杂志上。王健说,在二维界面高温超导、拓扑材料等领域,以薛其坤、张首晟等为代表的华人科学家已经取得了举世瞩目的进展。

2016-10-04 13:39:08

原始网页: http://sports.ycwb.com/2016-10/05/content_23177450.htm

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