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哈哈镜中的“拓扑奥秘”



2016年,三位美国科学家:戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨,打开一个未知世界,他们在理论上发现物质的拓扑相变和拓扑相。这个理论提出物质可以以一种奇怪的状态存在,他们利用先进的数学方法来研究不同寻常物质状态,如超导体、超流体或磁膜等。由于他们的开创性工作,许多人希望未来这种研究将会对材料学和电子学产生革命性影响。
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我们平时在哈哈镜里看到的景象就是拓扑眼光的一个实例。在镜中,我们的影像严重变形,但仍能看出这是自己,也能分清身体各个部位在镜像中的位置,这是因为有些最基本的特征(如“位置相对性”)没有变(数学家称之为“拓扑不变量”)。
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简单来说,一个有把手的茶壶连续变化成轮胎,而不是一个球,这就是拓扑。拓扑学是数学的一个分支,它的主要研究内容是几何形状在连续形变中所不改变的性质。冰融化成水,这就是相变。相变是指物质在外界条件连续变化时,从一种“相”突然变成另一种“相”的过程。
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日常生活中最常见的“相”是气态、液态和固态,在一些极端的条件下,比如极高的温度或者极低的温度,会出现很多更为奇异的状态。人们所看到的相变,是分子在微观层面上一起作出改变的结果。比如宏观上,冰融化成水,再蒸发成水蒸气的过程中;在微观上,分子和分子先是像方阵兵一样十分整齐地排列着,在宏观上就表现出冰的状态。
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拓扑相有很多种,它们不仅存在于薄层和线状物,还存在于普通的三维材料中。过去数十年里,这一领域的研究促进了凝聚态物理研究的前沿发展,人们不仅仅对拓扑材料能够在新一代电子器件和超导体中产生应用抱有希望,而且看好其在未来量子计算机方面的应用。
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责编:一冰

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