一塊碲化鉍石頭,普通人把它歸類為“固體”,但它的準(zhǔn)確分類應(yīng)該是“拓?fù)浣^緣體”。“拓?fù)?rdquo;二字一加,物質(zhì)的存在方式極大豐富。10月4日,三位美國人因?yàn)?ldquo;拓?fù)湎嘧?rdquo;研究被授予2016年度諾貝爾物理學(xué)獎。而中國科學(xué)家近幾年也在這一領(lǐng)域大放異彩。

“我讀著他們的文章開始了研究,對他們的工作非常敬佩,他們開創(chuàng)了整個拓?fù)湮飸B(tài)的方向。”研究外爾費(fèi)米子的中科院物理所翁紅明研究員接受科技日報(bào)記者采訪時說。二維和三維拓?fù)洳牧�、量子反�；魻栃��?yīng)、外爾費(fèi)米子……近年來中國科學(xué)家的一些知名的物理突破,都與“拓?fù)湎嘧?rdquo;相關(guān)。

翁紅明說,拓?fù)洳牧喜还馐窃趯?shí)驗(yàn)室里,在自然界也廣泛存在。此次被授予諾獎的美國科學(xué)家,做的是極具開放性的工作,后來的研究者已經(jīng)拓展了非常遠(yuǎn),讓我們對自然界的認(rèn)知又進(jìn)了一步。中國科學(xué)家目前在這一領(lǐng)域的研究實(shí)力,是全球數(shù)一數(shù)二的,在外爾半金屬、狄拉克半金屬等方向上領(lǐng)先世界。

清華大學(xué)教授薛其坤也表示,三位諾獎得主的奠基性理論工作之后,這一領(lǐng)域因2005年包括華裔著名物理學(xué)家張首晟在內(nèi)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三維拓?fù)浣^緣體材料得以發(fā)展。中國科學(xué)家也做出很多重要工作,在拓?fù)洳牧系暮铣�、基本性質(zhì)表征以及物理效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)等方面,中國物理學(xué)家已經(jīng)處于國際第一梯隊(duì)。

一種物質(zhì)可以呈現(xiàn)出不同的相,比如純凈的碳可以是石墨,也可以是鉆石。物理學(xué)家朗道提出,物質(zhì)從一種相變成另一種相,本質(zhì)是高對稱狀態(tài)與低對稱狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。從哪一個方向看分子結(jié)構(gòu)都對稱的水,變成了特定方向看才對稱的冰,實(shí)質(zhì)是它的對稱性下降了,或者說“破缺”了。

但是,朗道的理論在一種特殊情況下講不通——有些絕緣體變成導(dǎo)體,相肯定變了,但對稱性卻沒變化。后來才發(fā)現(xiàn),這種相變,是因?yàn)槲镔|(zhì)的“拓?fù)湫再|(zhì)”變了。大概說來,就是物質(zhì)里某種像飯碗一樣的幾何結(jié)構(gòu)(沒有洞)變成了手鐲(1個洞),又變成了眼鏡框(2個洞),改變了電子的運(yùn)動環(huán)境。本來是幾何學(xué)的拓?fù)淅碚?引入到物質(zhì)相變的研究,要感謝剛拿到諾獎的三位美國科學(xué)家。

絕緣體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體……這些物質(zhì)相可以變來變?nèi)?還可以亦正亦邪,正邪不分。比如說,拓?fù)浣^緣體內(nèi)部不導(dǎo)電,但是它的表面卻導(dǎo)電,而且能耗極低;還有些材料,表面是普通金屬,內(nèi)部卻是超導(dǎo)體。所以大家期待這些奇怪的材料能用于未來的電路。