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中国科学家解读2016年诺贝尔物理学奖

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-11-12 编辑:优美散文

作者:齐鲁郭爽市张南李冯飞资料来源:Science.com发布日期:2016/10/4 2233 3633 336020

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打开未知世界的大门

中国科学家解读2016年诺贝尔物理学奖

北京时间10月4日下午5: 45。2016年诺贝尔物理学奖宣布了。三位英国和美国科学家大卫索利斯、邓肯霍尔登和迈克尔科斯特尔利兹获得了该奖项。获奖的原因是“拓扑相变和拓扑相物质的理论发现”。

虽然三位获奖者说他们“有点头晕”并“试图接受它”,但他们在物理学上“名副其实”。他们用高等数学研究了物质的某些特殊阶段或状态,由于他们的开创性工作,材料科学和电子学的未来应用前景充满希望。

新材料形式的发现

在诺贝尔奖颁发之前,复旦大学物理系的时宇教授在Science.net的博客上做了一个预测。拓扑方向的研究可能会获奖。"果然,这个奖项是为了拓扑相变和拓扑相物质的研究."时宇在接受记者《中国科学报》采访时说,“拓扑学原本是数学的一个分支,但今年获奖的研究具有某种物理性质。”

拓扑描述了一个对象在拉伸、扭曲或变形而不被撕裂时保持不变的特性。拓扑的目标是通过一些基本特征来描述形状和结构,例如凹坑的数量。因此,从拓扑上讲,杯子和百吉饼是一样的,因为它们都只有一个开口,而蝴蝶饼干是不同的,因为它有两个开口。"这三个人的主要贡献是将拓扑学的概念应用于物理学."中国科学院物理研究所所长王宇鹏在接受《中国科学报》记者采访时说。

20世纪70年代初,当时的理论认为超导性和超流性不能在薄层中产生,但迈克尔科斯特利兹和大卫索利斯推翻了这一理论。他们证明了超导电性可以在低温下发生,并解释了高温下超导电性的机理相变。

20世纪80年代后期,大卫索利斯(David Solis)成功解释了一个早期的实验,即超薄导电层的电导率可以精确测量为整数。他证明了这些整数本质上是拓扑的。同时,邓肯霍尔丹(Duncan Haldane)发现拓扑可以用来理解某些材料中小磁体链的性质。

就因为大卫索利斯参加了两份工作,他享受了一半奖金,邓肯霍尔登与迈克尔科斯特利兹分享了另一半。

“他们发现了一种新的物质形式拓扑物质状态。普通人可以看到气体、液体和固体,它们是物质的三种常见状态。物质状态有许多更深层次的分类。”王宇鹏解释说,“例如,电子在导电时会流动,在物理上可以被认为是液体。”

促进凝聚态物理的发展

今年的诺贝尔物理学奖得主打开了未知世界的大门。他们的发现在理解物质奥秘理论方面带来了突破,并为培育新材料创造了新的视角。

"他们三个已经做了开创性的工作."王宇鹏说:“近年来非常热的拓扑绝缘体、热离子半金属和量子反常霍尔效应都是拓扑材料状态。”

有许多已知的拓扑相,不仅存在于薄层和细线中,也存在于普通的三维材料中。在过去的十年里,这一领域的研究促进了凝聚态物理的前沿发展。人们不仅希望拓扑材料能应用于新一代电子器件和超导体,而且对它们在量子计算机中的未来应用也有很好的展望。"它已被广泛应用于新材料、量子计算和信息科学."时宇告诉记者,量子态非常敏感,容易受到环境影响。如果它们与拓扑物质结合,就会得到稳定的状态,这对研究将有很大的帮助。

量子霍尔效应两次获得诺贝尔奖:德国科学家冯克礼卿(Feng Keli Qing)于1980年发现“整数量子霍尔效应”,并于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华人物理学家崔琦和美国物理学家斯托米尔发现了“分数量子霍尔效应”。不久,美国物理学家劳弗林给出了一个理论解释,三人分享了1998年诺贝尔物理学奖。

“这一次三位获奖者的工作是对物质的整个拓扑状态的深刻理解,而不仅仅是量子霍尔效应。”王宇鹏说,“它确实被物理学家所认可,并在物质世界中得以实现。”

今天,许多研究人员仍在慢慢揭示这个奇怪世界的物质秘密,这是今年三位获奖者发现的。

中国在拓扑状态研究中的力量

从1973年至今近40年的研究,尤其是与拓扑相关的研究在这几年尤为热门。你以前为什么没有获奖?中国科学院物理研究所研究员曹则贤在接受记者《中国科学报》采访时说,这项工作意义重大,但以前只是理论研究。经过多年对真空技术和材料的研究,人们可以发现具有拓扑性质的东西,这反过来证明了以前研究的伟大之处。我国的基础理论研究可以追溯到20世纪70年代和80年代,后来对拓扑绝缘体的兴起做出了重要贡献王宇鹏说。

2010年,由中国科学院物理研究所的钟芳和戴Xi领导的团队与张首晟教授合作,在理论和材料设计方面取得突破。他们提出掺杂铬或铁磁性离子的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3族拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。2013年,由中国科学院物理研究所的何可、吕莉、马旭村、王丽丽、钟芳和戴Xi组成的团队,以及由清华大学物理系的薛启坤、张首晟、王雅玉、陈Xi和贾金凤组成的团队共同努力解决关键问题。最后,在掺铬(铋、锑)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中成功观察到量子反常霍尔效应。

邓肯霍尔登是今年诺贝尔奖的获得者之一,他从理论上预测了量子反常霍尔效应。1988年,他提出可能存在不需要外部磁场的量子霍尔效应,但多年来他一直未能找到实现这种特殊量子效应的物质系统和具体物理方法。

此外,中国科学家预测了三维拓扑绝缘体,并很快在实验中发现了它,从而推动了全球拓扑绝缘体的研究热潮。首先,我们预测并观察了外部费米子。量子计算机的研究取得了进展.这些都是中国研究拓扑状态的力量。在过去的七八年里,中国对拓扑物质态的研究在世界上做出了显着的贡献王宇鹏说。

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