【2016诺贝尔奖】物理学奖:拓扑相变和物质拓扑相

‍因为在拓扑相变和物质拓扑相方面的开创性工作，索利斯、霍尔丹和科斯特里兹分享了2016年诺贝尔物理学奖。今...

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因为在拓扑相变和物质拓扑相方面的开创性工作，索利斯、霍尔丹和科斯特里兹分享了2016年诺贝尔物理学奖。

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，科斯特里兹和索利斯颠覆了当时的理论，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，霍尔丹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。

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。

拓扑是什么？

拓扑本来是一个数学概念，是指物体在连续变化下保持不变的性质。连续变化是指拉伸、扭曲以及变形等等，但是不能有撕裂。比如，但我们吃点心时，右手拿着一只咖啡杯，左手拿着一个面包圈，这两样东西的形状看上去完全不一样，但它们的拓扑性质是一样的，面包圈可以通过一系列形变，变成咖啡杯。

拓扑相变是什么？

相变是是物质从一种相转变为另一种相的过程，并伴随物质性质的改变。物质系统中，物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为“相”。比如随着温度的下降，气体变成液体，液体变成固体。再比如，随着温度的下降，液态氦可以变成超流——也就是说，变成一种没有粘滞的流体（类似超导）。

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