(斯德哥尔摩5日讯)今年的诺贝尔物理学奖由3名英国籍旅美学者获得,他们运用数学中的拓扑学,了解非一般物质状态,为研发有特别性质的新物料以至量子电脑,打开大门。
瑞典王家科学院周二宣布由索利斯、霍尔丹和科斯特利茨分享今年的诺贝尔物理学奖,以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变(topological phases transition)和拓扑相(topological phases)。
评审团表示:“今年的得主打开了未知世界的大门,在这个世界里,物质可以不寻常的状态存在。他们以先进的数学方法,研究不寻常状态的物质,如超导体、超流体和磁性薄膜。”
物质有气态、液态和固态,这是一般人的认识,但除了这三态,在物理学世界,物质还有很多千奇百怪的状态。
在超低温下的量子凝聚态下,物质亦会出现其他特异状态,如能令电流毫无阻力流通的超导体,以及能让漩涡转动永不减慢停下来的超流体。但科学家一直以为,超导体和超流体不会在很薄的物质出现。
物质超低温会变异
科斯特利茨与索利斯在1970年代挑战这想法,他们以拓扑学论证了超低温平面物质在某个临界温度下,也可变超导体或超流体,当中涉及一种新的物质相变,在临界温度下那些物质中两个漩涡,是会一直维持既定距离;但在超过临界温度相变后,两个漩涡会突然分道扬镳。
这种相变称为拓扑相变,后人亦以两人的姓氏头一个字母,称为“KT相变”。
拓扑学俗称为“橡胶几何学”,因为是研究物件如橡胶那样压扁拉长,当中很关键的是该物体有没有穿洞。没穿洞的物体是不能搓成有洞的甜甜圈;相反,甜甜圈可搓成手柄形成一个洞的咖啡杯。物体突变的性质可对应相变,作出数学分析。
在1980年代,索利斯进一步论证平薄物料的导电值,是一级一级地增加或减少,同样对应了拓扑学物件有一个洞、两个洞、3个洞等不同势态。
霍尔丹亦利用拓扑学概念,了解一些物料中微形磁性链物质的性质。这些新发现物质形态称为拓扑相。
评审团指3人打开大门后,物理学家认识了物质更多的拓扑相,并用来研发崭新的拓扑物料,期望用于新一代电子零件和超导体,以至制造量子电脑。