拓樸原理解釋質變量子電腦面世在望

本年度的諾貝爾物理學獎昨日揭盅,三名旅美英國學者,結合數學上的拓樸原理來解釋量子物理現象,同獲殊榮。諾貝爾委員會讚揚,三人的研究貢獻重要且深遠,可能促生量子電腦等革命性科技。委員會今天將公布化學獎得主。

得獎的三名學者為索利思(David Thouless)、霍爾丹(Duncan Haldane)及科斯特利茨(Michael Kosterlitz)。諾貝爾委員會讚揚,三人的研究敞開一個未知世界的大門,讓人一窺物質在奇異形態(exotic states)下的神秘面貌,利用高階數學方法研究超導、超流等奇異現象。三名得獎者將合共獲得八百萬瑞典克朗(約七百二十七萬港元)獎金,索利思獲其中一半,另一半則由霍爾丹和科斯特利茨平分。

極高或極低溫下形成

霍爾丹對獲獎感到驚訝,他接受諾貝爾基金會的電話訪問時表示︰「我十分意外,亦十分高興。」他指近年不少重大新發現,都是基於當年的拓樸學研究,謙稱當年研究是無心插柳,深入研究後才慢慢發現它相當有趣。科斯特利茨得知獲獎後,稱有點頭暈目眩,仍在消化當中,他稱廿多歲時展開研究,全憑愚蠢及無知,才成功挑戰科學。

一般物質形態通常是固態、液態和氣態,以水為例,水在特定溫度會變成冰、水和水蒸氣,這種形態稱為「相」(phase),而形態轉變則為「相變」(phase transition)。但其實除了上述三種形態,物質在極高溫或極低溫時,還會變成「等離子體」、「量子凝聚態」等奇異形態。而三位得獎者最重要的貢獻,就是利用數學上的拓樸原理來解釋物質相變。

推翻當年流行理論

索利思及科斯特利茨識於一九七○年代,當時的理論認為薄層(thin layer)不會出現超導和超流現象。兩人成功推翻了流行理論,證明超導能夠在低溫下發生,並解釋了它在溫度升高時消失的機制及相變,獲命名為「科斯特利茨—索利思相變」。

至八○年代,索利思結合拓樸學與量子霍爾效應,成功解釋一項實驗,即超薄導電層中的電導系數何以被精確測量到整數,及這些整數的拓樸性質。而在大約同一時間,霍爾丹發現透過拓樸學來理解某些物質的小磁體鏈的性質。過去十年裏,三人研究促進了凝聚態物理的研究發展,拓樸材料不僅有望應用於新一代的電子產品及超導體中,而且亦可能促成量子電腦的面世。

本報綜合報道