低溫下的奇怪相變

李劍龍

為什么鉆石和石墨都是由碳原子組成的，它們的價(jià)格和性質(zhì)卻完全不一樣呢？那是因?yàn)樘荚拥呐帕蟹绞桨l(fā)生了變化。這樣的狀態(tài)突變?cè)谖锢韺W(xué)中叫做相變。

物理學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，物質(zhì)的相變都是由原子重新排列引起的（如石墨在高溫高壓下變成鉆石），或者是由原子自旋重新定向引起的（如鋼針的磁化）。然而，當(dāng)溫度降低到接近絕對(duì)零度時(shí)，某些物質(zhì)會(huì)突然進(jìn)入了一種全新的狀態(tài)，例如導(dǎo)體的電阻突然消失，變成超導(dǎo)體，流體會(huì)突然喪失黏滯性，變成超流體——但其中并沒(méi)有發(fā)生原子重排或自旋重新定向。

在20世紀(jì)70年代，出生于英國(guó)的三位凝聚態(tài)物理學(xué)家，戴維·索利斯（David Thouless）、鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）和邁克爾·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）從理論上研究了這種奇怪的相變。他們因此分享了2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

三位物理學(xué)家的研究被冠以“拓?fù)淞孔游飸B(tài)”和“拓?fù)湎嘧儭钡拿郑渲卸加玫搅藬?shù)學(xué)中的拓?fù)涓拍?。假如你將一個(gè)橡皮泥捏成的圓球變成立方體時(shí)，數(shù)學(xué)家認(rèn)為它的拓?fù)湫再|(zhì)沒(méi)有變化。只有當(dāng)你用鉛筆在圓球上戳出一個(gè)透明窟窿時(shí)，它的拓?fù)湫再|(zhì)才會(huì)改變。通俗地講，拓?fù)鋵W(xué)研究一個(gè)幾何體上一共有幾個(gè)洞。

索利斯和科斯特利茨在研究一種極扁平材料在低溫下的超流體相變時(shí)，提出了以他們名字命名的KT相變。KT相變是一種拓?fù)湎嘧?，在其中起決定性作用的不是原子排列，而是一種小渦旋。渦旋就像三維幾何體上的洞一樣，是一種典型的拓?fù)洳蛔兞?。?dāng)溫度很低時(shí)，這種極扁平材料中的順時(shí)針和逆時(shí)針渦旋成對(duì)出現(xiàn)，而且靠得很緊密。當(dāng)溫度升高時(shí)，渦旋對(duì)就相互遠(yuǎn)離，漸行漸遠(yuǎn)。

霍爾丹研究了一種一維線(xiàn)性材料的“量子自旋鏈”，并同樣用拓?fù)涞母拍罱忉屃怂男再|(zhì)。

拓?fù)淞孔游飸B(tài)有別于我們通常見(jiàn)到的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，是一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，往往具有很多匪夷所思的性質(zhì)。例如，清華大學(xué)的薛其坤研究團(tuán)隊(duì)在2014年成功實(shí)現(xiàn)了一種叫做“拓?fù)浣^緣體”的薄層物質(zhì)。這種物質(zhì)的內(nèi)部是絕緣的，表面卻是超導(dǎo)的。并且，電子在它的表面只能單向運(yùn)動(dòng)，仿佛建立了一條快速的單行車(chē)道。這種奇怪的特性有可能幫助我們解決計(jì)算機(jī)芯片的散熱問(wèn)題。

拓?fù)淞孔游飸B(tài)的理論研究為我們打開(kāi)了一個(gè)全新的物質(zhì)世界。諾貝爾獎(jiǎng)會(huì)員會(huì)的成員漢森（Thors Hans Hansson）認(rèn)為，該項(xiàng)研究可能應(yīng)用于下一代電子器件和超導(dǎo)材料，甚至量子計(jì)算機(jī)中。

“看到你的英雄被授予榮譽(yù)總是很美好的，”帝國(guó)理工大學(xué)的固體物理學(xué)教授菲利普（Chris Phillips）說(shuō)，“（今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）是一個(gè)真正的科學(xué)家的獎(jiǎng)項(xiàng)?！?/p>