脆弱拓?fù)涫且环N新發(fā)現(xiàn)的量子現(xiàn)象，它允許材料獲得奇怪且令人興奮的特性。

隱藏在材料中的數(shù)學(xué)越來(lái)越神奇。物質(zhì)的拓?fù)鋺B(tài)——電子扭結(jié)量子態(tài)產(chǎn)生的奇異特性——從一種罕見(jiàn)的好奇心變成了物理學(xué)最熱門的領(lǐng)域之一。理論物理學(xué)家現(xiàn)在意識(shí)到拓?fù)鋵W(xué)無(wú)處不在，并將其視為固體物質(zhì)形成的最重要方面。

以一定角度扭曲的兩層石墨烯似乎表現(xiàn)出一種稱為脆弱拓?fù)涞默F(xiàn)象。資料來(lái)源：《自然》雜志朱麗葉特·哈爾西

在過(guò)去的幾年里，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種脆弱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)在幾乎所有固態(tài)晶體中（參見(jiàn)5 月份發(fā)布的預(yù)印本，參見(jiàn)參考文獻(xiàn)1）。另一項(xiàng)研究于6 月[2] 發(fā)表在期刊《自然》 上，描述了碳基器件中電子可能存在的脆弱結(jié)構(gòu)。一旦得到證實(shí)，這將是脆弱拓?fù)涞牡谝粋€(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

現(xiàn)在說(shuō)這些發(fā)現(xiàn)是否會(huì)影響實(shí)際材料還為時(shí)過(guò)早，但研究人員發(fā)現(xiàn)該理論或許能夠解釋某些類型的超導(dǎo)性。他們表示，這種現(xiàn)象在光子學(xué)中也可能很重要，光子學(xué)是一種使用光脈沖而不是電子來(lái)傳輸信息的技術(shù)。使用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬材料行為的研究人員也可能受到脆弱拓?fù)淅碚摰挠绊憽?

新的研究表明，脆弱的拓?fù)洳粌H僅是一個(gè)激進(jìn)的學(xué)術(shù)無(wú)底洞。哈佛大學(xué)研究凝聚態(tài)物質(zhì)的理論物理學(xué)家阿什文·維什瓦納特(Ashvin Vishwanath) 表示：雖然這個(gè)領(lǐng)域剛剛誕生，但我已經(jīng)很難跟上它的步伐了。

圓幾何

拓?fù)鋵W(xué)是研究物體連續(xù)變形的數(shù)學(xué)分支，這意味著物體不能被切割或分裂，因此兩個(gè)相連的環(huán)不能被切割成兩部分。在某些材料中，電子可以處于一種扭結(jié)的量子態(tài)，也就是說(shuō)，可以使電子保持在某個(gè)方向上移動(dòng)，因?yàn)楦淖兤渎窂揭馕吨蝗桓淖儬顟B(tài)，這相當(dāng)于割斷結(jié)。

因此，物理特性是由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)保證的。最著名的例子是1980年在某些二維導(dǎo)電材料中發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)，其電阻不受溫度等變量的微小變化的影響。這種效應(yīng)是如此強(qiáng)烈，以至于在五月份國(guó)際單位制改革期間，它甚至被用作電阻單位歐姆的定義。三維系統(tǒng)中的類似效應(yīng)允許一類稱為拓?fù)浣^緣體的材料在其外邊緣成為理想導(dǎo)體，同時(shí)在內(nèi)部成為絕緣體。

具有這些強(qiáng)大特性的強(qiáng)拓?fù)洳牧媳徽J(rèn)為作為熱電材料（將熱能轉(zhuǎn)化為電能的材料）具有廣闊的前景。一些物理學(xué)家希望此類材料能夠構(gòu)成未來(lái)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，能夠比經(jīng)典計(jì)算機(jī)以指數(shù)速度更快地解決某些問(wèn)題。

強(qiáng)大的拓?fù)涮匦詠?lái)自于電子量子態(tài)的一個(gè)奇怪特性：它不像巖鹽等普通絕緣體那樣完全包圍單個(gè)原子。拓?fù)洳牧现械囊恍╇娮邮请x域的，它們共享影響整個(gè)材料的量子態(tài)。

然而，根據(jù)理論家的計(jì)算，有些材料具有離域電子，但不具有很強(qiáng)的拓?fù)湫再|(zhì)。也就是說(shuō)，在大量的離域量子態(tài)中，強(qiáng)拓?fù)洳牧现皇瞧渲械囊活?。此外，還有一類電子態(tài)可以忽略小擾動(dòng)，但不如強(qiáng)拓?fù)鋺B(tài)那么穩(wěn)健。只要稍有變化，比如晶體中的雜質(zhì)稍有變化，就可以變成普通的材料。在2018 年的一篇文章[3] 中，Vishwanath 的團(tuán)隊(duì)將這種現(xiàn)象稱為脆弱拓?fù)洹?

被曲折發(fā)現(xiàn)

起初，物理學(xué)家不確定脆弱的拓?fù)涫欠裾娴暮苤匾?。?018年3月的一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)改變了一切。物理學(xué)家[5, 6]發(fā)現(xiàn)，將兩層石墨烯和單原子厚的碳片堆疊后，如果將交叉角扭曲到某個(gè)幻數(shù)，就會(huì)發(fā)生超導(dǎo)，也就是說(shuō)，它可以零電阻發(fā)電。導(dǎo)電。維什瓦納特和他的同事很快計(jì)算出，扭曲的石墨烯含有某些電子態(tài)，這些電子態(tài)表現(xiàn)出脆弱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。維什瓦納特說(shuō)，那太棒了。我們認(rèn)為這毫無(wú)用處。然后我發(fā)現(xiàn)這個(gè)很有用。

目前尚不清楚脆弱的拓?fù)鋺B(tài)對(duì)于在扭曲石墨烯中產(chǎn)生超導(dǎo)性是否真正有意義。眾所周知，強(qiáng)拓?fù)鋺B(tài)會(huì)表現(xiàn)出可測(cè)量的現(xiàn)象；而脆弱拓?fù)涞挠绊懣赡芨游⒚睢?

然而，一些物理學(xué)家認(rèn)為，脆弱拓?fù)浔囟〞?huì)影響材料的某些行為，因?yàn)樗葟?qiáng)拓?fù)涓Ｒ?jiàn)。研究表明，大約四分之一的材料具有很強(qiáng)的拓?fù)湫再|(zhì)。但在5 月arXiv 上發(fā)表的預(yù)印本中[1]，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)幾乎所有材料中都存在脆弱拓?fù)鋺B(tài)的電子。他們?cè)谝阎w的數(shù)據(jù)庫(kù)中系統(tǒng)地搜索了脆弱拓?fù)?，并發(fā)現(xiàn)了數(shù)十萬(wàn)個(gè)脆弱拓?fù)洮F(xiàn)象的例子。該論文的主要作者、普林斯頓大學(xué)理論物理學(xué)家安德烈·伯內(nèi)維格（Andrei Bernevig）表示，如果考慮到脆弱拓?fù)洌坪鯉缀跛胁牧隙季哂心撤N拓?fù)錉顟B(tài)。

現(xiàn)在，脆弱拓?fù)涞牡谝粋€(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)。 6 月發(fā)表的一篇論文《自然》 [2] 發(fā)現(xiàn)了未扭曲雙層石墨烯中脆弱拓?fù)涞淖C據(jù)。由加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校約書亞島領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組正試圖創(chuàng)建一種基于石墨烯的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，作為未來(lái)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器。他們將石墨烯夾在兩層二硒化鎢（另一種二維材料）之間，并施加電場(chǎng)。他們記錄了電場(chǎng)變化時(shí)電子在器件邊緣的運(yùn)動(dòng)，這正是拓?fù)浣^緣體應(yīng)該表現(xiàn)出的。當(dāng)我們看到這種新的物質(zhì)狀態(tài)時(shí)，我們很快就會(huì)研究到底發(fā)生了什么。島說(shuō)。

但其他測(cè)量表明這不可能是傳統(tǒng)的拓?fù)浣^緣體。因此，艾蘭轉(zhuǎn)向另一位理論物理學(xué)家同事，他意識(shí)到這是脆弱拓?fù)鋺B(tài)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)[7]。

改變算法

脆弱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)影響材料物理特性的數(shù)值模擬。石溪大學(xué)一位研究脆弱拓?fù)涞睦碚撃蹜B(tài)物理學(xué)家表示，為了讓超級(jí)計(jì)算機(jī)更容易計(jì)算材料，研究人員經(jīng)常簡(jiǎn)化假設(shè)，而當(dāng)脆弱拓?fù)鋺B(tài)存在時(shí)，這些假設(shè)可能不再有效。詹妮弗·卡諾說(shuō)[4]。

傳導(dǎo)光的器件可能比固態(tài)材料更容易受到實(shí)驗(yàn)上可觀察到的脆弱拓?fù)涞挠绊?。這種現(xiàn)象也可能更為顯著。麻省理工學(xué)院物理學(xué)家托馬斯·克里斯滕森表示，根據(jù)他的初步計(jì)算，光子學(xué)中提出的許多拓?fù)淦骷赡苁谴嗳跬負(fù)涞睦印?

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的理論物理學(xué)家巴里·布拉德林(Barry Bradlyn) 表示，雖然我們還不知道脆弱拓?fù)涫欠駮?huì)有很多應(yīng)用，但它至少對(duì)理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)很有趣。他與他人共同撰寫了一篇關(guān)于脆弱拓?fù)鋵W(xué)的早期論文[4]。他說(shuō)，脆弱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)違反了關(guān)于材料中電子狀態(tài)的傳統(tǒng)假設(shè)。