針對物質的拓撲(Topology)相變研究——例如瞬態量子狀態變成超導現象,其重要性已經獲得瑞典皇家科學院(The Royal Swedish Academy of Sciences)決議頒發諾貝爾物理奬(Nobel Prize)了。2016年的諾貝爾物理奬得主是美國華盛頓大學(University of Washington)教授David Thouless (獲1/2奬金)、普林斯頓大學(Princeton University)教授Duncan Haldane (獲1/4奬金)以及布朗大學(Brown University)教授Michael Kosterlitz (獲1/4奬金)。

超導、超流(superfluidity)與磁性等現象為什麼能以低溫存在於超薄物質中?為什麼在高溫下即失去這種特性,而使物質釋放其拓撲特性?這些研究人員提出的拓撲理論為此提供了新的解釋。

這些發現可望實現室溫超導現象,但可能採取的是另一種發展路線。這不禁讓人想起1972年的諾貝爾獎頒發給Leon Cooper、John Bardeen與John Schrieffer,因為他們發表了超導的BCS理論——「超導電子對」(Cooper pairs)的概念。但瑞典皇家科學院當時預期在室溫超導的突破卻從未實現。這一次,瑞典皇家科學院看好的是在量子電腦的突破,期望以高度抽象的拓撲概念,從量子力學開啟超導研究新方向。

20161007 Superconductivity NT03P1 作者研究物質的「第五」種狀態(底部),極低的溫度導致拓撲量子「凝結」,而允許諸如超導、超流與磁性等特性 (來源:瑞典皇家科學院)

基本上,瑞典皇家科學院僅聲稱期望拓撲研究可讓傳統電子變得更好,但並未引述任何新元件或製程可實現這個目標。它有點像是在問愛因斯坦(Einstein)和懷海德(Whitehead)在上世紀提出的相對論結果。Whitehead最終被證明錯誤,他的名字也幾乎被遺忘,但愛因斯坦的理論則啟發了各種雷射、電晶體、微波、LED等各種當時不曾想像過的事物。

20161007 Superconductivity NT03P2 在低溫下,物質的第五種狀態——量子凝態——成對形成,但隨溫度升高可觀察到個別的旋渦 (來源:瑞典皇家科學院)

「基本上,這些諾貝爾獎得主所做的大致可歸納為二維(2D,有些情況下只有1D),使其得以解決在3D中過於複雜而無法瞭解的問題,」佛羅逹州立大學(Florida State University)教授Laura Greene表示。

20161007 Superconductivity NT03P3 *瑞典皇家科學院提供像導一樣可在超導研究方面大幅進展的例子 (來源:瑞典皇家科學院) * 當今的半導體都根據其晶格結構加以解釋與操縱,並藉由其計算出電氣特性。然而,這種分析並不適用於以「電子對電子」互動作為重要特性之際。高溫超導體正是這種電子對電子互動極其重要的例子——其中之一是讓1972年諾貝爾獎對Cooper-pairs寄予厚望。同樣地,2016年諾貝爾獎希望進一步應用拓撲理論應用,以促進對於超導體「電子對電子」互動的瞭解。

「高溫超導體是非常規的,因為其電子彼此互動的方式還不容易被理解——這是十分困難的問題,」Green表示,「我們希望掌握拓撲結構中的基本新概念,將有助於採用非傳統的材料進行設計。拓撲結構的材料即使是在室溫下也具有不尋常的特性,例如,拓撲絕緣體無法在塊材(bulk material)通過電子,但由於存在電子對電子的作用而使其表面成為導體。」

「拓撲材料較一般金屬的導電性更好,磁性也使其具備成為新型更高密度記憶體元件的可能性。目前有超過50種拓撲材料,有些還是有機的,」Green說,「我們希望諾貝爾獎有助於讓更多人探索其特性,並進一步實現新型的電子元件。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Nobel Prize: Why Superconductivity?,by R. Colin Johnson)