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，三位美國人因為“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。”研究外爾費米子的中科院物理所翁紅明研究員接受科技日報記者采訪時說。二維和三維拓?fù)洳牧?、量子反?；魻栃?yīng)、外爾費米子……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)洳牧喜还馐窃趯嶒炇依铮谧匀唤缫矎V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。

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，是因為物質(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。

高博

(責(zé)編：魏艷、趙竹青)