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作者：賈珍珍 石海明（國防科技大學(xué)）

制作：光明網(wǎng)軍事科技前沿

出品：科普中國

　　2016年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了三位美國科學(xué)家——戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們在拓撲相變和物質(zhì)的拓撲相方面的發(fā)現(xiàn)。其中，索利斯是華盛頓大學(xué)的名譽教授，霍爾丹是普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)教授，科斯特利茨是布朗大學(xué)的物理學(xué)教授。拓撲理論的發(fā)現(xiàn)為后來拓撲材料的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，并對材料學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)研究乃至拓撲量子計算等的前沿領(lǐng)域研究具有劃時代的意義。

　　拓撲學(xué)(topology)是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持一些性質(zhì)不變的學(xué)科。它只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。幾何拓撲學(xué)是十九世紀形成的一門數(shù)學(xué)分支，它屬于幾何學(xué)的范疇。有關(guān)拓撲學(xué)的一些內(nèi)容早在十八世紀就出現(xiàn)了。那時候科學(xué)界發(fā)現(xiàn)的一些孤立的問題，后來在拓撲學(xué)的形成中占有重要地位。今年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的三位科學(xué)家可以說是凝聚態(tài)拓撲物態(tài)研究的先驅(qū)，他們在拓撲物態(tài)研究領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作，向前可以追溯至20世紀七、八十年代。

拓撲絕緣體結(jié)構(gòu)圖

　　縱觀人類社會的發(fā)展，從古代冷兵器時代，到近代熱兵器時代，再到如今信息化時代，材料一直發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。2010年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了英國曼徹斯特大學(xué)的兩位教授安德烈·K·海姆（Andre. Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯也因其優(yōu)越的材料特性而在短短數(shù)十載中逐漸成為人們公認的“新材料之王”。對此，有學(xué)者指出：“19世紀是鐵器的時代，20世紀是硅的時代，21世紀則是碳的時代?！比缃?，拓撲理論的發(fā)現(xiàn)對物理學(xué)領(lǐng)域的“明星材料”——石墨烯，以及其他“超級材料”之間的關(guān)系更是成為科學(xué)界關(guān)注的焦點。

石墨烯結(jié)構(gòu)圖

　　一方面，拓撲學(xué)原理是物理學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，而石墨烯等“超級材料”則是基于一定原理下的具體材料。換言之，它們一個是為了回答“為什么？”和“是什么？”這些與原因有關(guān)的基本性理論問題；一個則是為了解決“怎樣做？”那些與方法有關(guān)的實用性技術(shù)問題。從一個角度而言，物理學(xué)界公認，索利斯、科斯特利茨和霍爾丹在20世紀七、八十年代做的一系列研究工作，首次將拓撲學(xué)原理引入了凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，并對這些物理現(xiàn)象背后的復(fù)雜拓撲原因進行了解釋，這無疑為新材料的研究創(chuàng)新提供了理論支撐。從另一個角度而言，石墨烯由于其材質(zhì)堅硬、透光率高、能量損耗低等性能突出優(yōu)勢，而使得人們對其在未來軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景充滿期待，并逐漸成為大國發(fā)展軍事技術(shù)的關(guān)鍵突破口。

　　另一方面，拓撲學(xué)原理為“超級材料”創(chuàng)新的實現(xiàn)提供了可能。有關(guān)拓撲學(xué)原理的基礎(chǔ)性研究，在為凝聚態(tài)物理學(xué)帶來深遠影響的同時，也為一系列“超級材料”的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。如拓撲材料研究的熱點之一——拓撲絕緣體，就可以看作材料創(chuàng)新的一個典型例子。拓撲絕緣體是一種具有新奇量子特性的物質(zhì)狀態(tài)，其體內(nèi)與普通絕緣體一樣，是不導(dǎo)電的，但是在它的邊界或表面卻存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)。在這類神奇的材料上，不同自旋的導(dǎo)電電子的運動方向相反，所以，信息的傳遞可以通過電子自旋，而不像傳統(tǒng)材料那樣通過電荷，因此并不涉及耗散過程。就在2015年8月，我國上海交通大學(xué)賈金鋒教授團隊首次制備出了名為“烯錫”的拓撲絕緣體，它只有一個原子層，且卻有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，也因此被稱為“石墨烯的堂弟”。

拓撲絕緣體在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　引領(lǐng)未來是國防科技創(chuàng)新發(fā)展的長期根本任務(wù)，基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)一旦取得重大突破，往往會催生新的科技革命，以至推動人類社會發(fā)生變革。因此，我們要堅持引領(lǐng)未來，搶占科技革命和軍事競爭的戰(zhàn)略制高點，就必須站在科技前沿，唯有如此，軍隊才能站在世界軍事發(fā)展的前列。

　　回顧人類文明進步史，在科學(xué)的基礎(chǔ)研究中，每一個重大突破往往都會對軍事技術(shù)的創(chuàng)新、武器裝備的發(fā)展產(chǎn)生巨大的、不可估量的推動作用。近代力學(xué)、熱力學(xué)發(fā)展引發(fā)的第一次工業(yè)技術(shù)革命，直接導(dǎo)致了潛艇、坦克等裝備的出現(xiàn)，電磁理論突破則催生了雷達、聲納等裝備的問世，相對論、量子力學(xué)等基礎(chǔ)理論的突破使得核武器登上了戰(zhàn)爭舞臺?？梢哉f，基礎(chǔ)研究已經(jīng)越來越成為發(fā)明與創(chuàng)新的源頭?；A(chǔ)研究的重大發(fā)現(xiàn)、基礎(chǔ)理論的重大突破往往孕育著新的知識革命，也必然將引發(fā)軍事技術(shù)和武器裝備方面的新突破。

　　可以說，今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者為科學(xué)界開啟了“異物質(zhì)”這扇未知世界的大門。恰如今年諾貝爾獎的頒獎詞中所言：“獲獎?wù)邽槲覀冮_啟了通往奇異物質(zhì)狀態(tài)研究的未知世界的大門。他們使用先進的數(shù)學(xué)方法解釋在不同尋常的物質(zhì)相（或狀態(tài)）中出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，如超導(dǎo)體、超流體或磁性薄膜。由于他們的開創(chuàng)性工作，針對物質(zhì)新的且奇異領(lǐng)域的研究已經(jīng)開啟?！?/p>