[科普中国]-“拓扑相变”与“超级材料”的军事应用前景

作者：贾珍珍 石海明（国防科技大学）

制作：光明网军事科技前沿

出品：科普中国

　　2016年的诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家——戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，以表彰他们在拓扑相变和物质的拓扑相方面的发现。其中，索利斯是华盛顿大学的名誉教授，霍尔丹是普林斯顿大学的物理学教授，科斯特利茨是布朗大学的物理学教授。拓扑理论的发现为后来拓扑材料的出现奠定了基础，并对材料学、信息科学技术研究乃至拓扑量子计算等的前沿领域研究具有划时代的意义。

　　拓扑学(topology)是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持一些性质不变的学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。几何拓扑学是十九世纪形成的一门数学分支，它属于几何学的范畴。有关拓扑学的一些内容早在十八世纪就出现了。那时候科学界发现的一些孤立的问题，后来在拓扑学的形成中占有重要地位。今年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家可以说是凝聚态拓扑物态研究的先驱，他们在拓扑物态研究领域的开创性工作，向前可以追溯至20世纪七、八十年代。

拓扑绝缘体结构图

　　纵观人类社会的发展，从古代冷兵器时代，到近代热兵器时代，再到如今信息化时代，材料一直发挥着至关重要的作用。2010年的诺贝尔物理学奖授予了英国曼彻斯特大学的两位教授安德烈·K·海姆（Andre. Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯也因其优越的材料特性而在短短数十载中逐渐成为人们公认的“新材料之王”。对此，有学者指出：“19世纪是铁器的时代，20世纪是硅的时代，21世纪则是碳的时代。”如今，拓扑理论的发现对物理学领域的“明星材料”——石墨烯，以及其他“超级材料”之间的关系更是成为科学界关注的焦点。

石墨烯结构图

　　一方面，拓扑学原理是物理学领域的基础理论，而石墨烯等“超级材料”则是基于一定原理下的具体材料。换言之，它们一个是为了回答“为什么？”和“是什么？”这些与原因有关的基本性理论问题；一个则是为了解决“怎样做？”那些与方法有关的实用性技术问题。从一个角度而言，物理学界公认，索利斯、科斯特利茨和霍尔丹在20世纪七、八十年代做的一系列研究工作，首次将拓扑学原理引入了凝聚态物理学的基础理论，并对这些物理现象背后的复杂拓扑原因进行了解释，这无疑为新材料的研究创新提供了理论支撑。从另一个角度而言，石墨烯由于其材质坚硬、透光率高、能量损耗低等性能突出优势，而使得人们对其在未来军事领域的应用前景充满期待，并逐渐成为大国发展军事技术的关键突破口。

　　另一方面，拓扑学原理为“超级材料”创新的实现提供了可能。有关拓扑学原理的基础性研究，在为凝聚态物理学带来深远影响的同时，也为一系列“超级材料”的研发奠定了基础。如拓扑材料研究的热点之一——拓扑绝缘体，就可以看作材料创新的一个典型例子。拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，其体内与普通绝缘体一样，是不导电的，但是在它的边界或表面却存在导电的边缘态。在这类神奇的材料上，不同自旋的导电电子的运动方向相反，所以，信息的传递可以通过电子自旋，而不像传统材料那样通过电荷，因此并不涉及耗散过程。就在2015年8月，我国上海交通大学贾金锋教授团队首次制备出了名为“烯锡”的拓扑绝缘体，它只有一个原子层，且却有蜂窝状结构，也因此被称为“石墨烯的堂弟”。

拓扑绝缘体在信息技术领域的应用

　　引领未来是国防科技创新发展的长期根本任务，基础科学与前沿技术一旦取得重大突破，往往会催生新的科技革命，以至推动人类社会发生变革。因此，我们要坚持引领未来，抢占科技革命和军事竞争的战略制高点，就必须站在科技前沿，唯有如此，军队才能站在世界军事发展的前列。

　　回顾人类文明进步史，在科学的基础研究中，每一个重大突破往往都会对军事技术的创新、武器装备的发展产生巨大的、不可估量的推动作用。近代力学、热力学发展引发的第一次工业技术革命，直接导致了潜艇、坦克等装备的出现，电磁理论突破则催生了雷达、声纳等装备的问世，相对论、量子力学等基础理论的突破使得核武器登上了战争舞台。可以说，基础研究已经越来越成为发明与创新的源头。基础研究的重大发现、基础理论的重大突破往往孕育着新的知识革命，也必然将引发军事技术和武器装备方面的新突破。

　　可以说，今年的诺贝尔物理学奖获得者为科学界开启了“异物质”这扇未知世界的大门。恰如今年诺贝尔奖的颁奖词中所言：“获奖者为我们开启了通往奇异物质状态研究的未知世界的大门。他们使用先进的数学方法解释在不同寻常的物质相（或状态）中出现的奇异现象，如超导体、超流体或磁性薄膜。由于他们的开创性工作，针对物质新的且奇异领域的研究已经开启。”