「拓撲相變」與「超級材料」的軍事應用前景

2020-12-07 中國網科學頻道

作者：賈珍珍石海明（國防科技大學）

製作：光明網軍事科技前沿

出品：科普中國

2016年的諾貝爾物理學獎授予了三位美國科學家——戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和麥可·科斯特利茨，以表彰他們在拓撲相變和物質的拓撲相方面的發現。其中，索利斯是華盛頓大學的名譽教授，霍爾丹是普林斯頓大學的物理學教授，科斯特利茨是布朗大學的物理學教授。拓撲理論的發現為後來拓撲材料的出現奠定了基礎，並對材料學、信息科學技術研究乃至拓撲量子計算等的前沿領域研究具有劃時代的意義。

拓撲學(topology)是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持一些性質不變的學科。它只考慮物體間的位置關係而不考慮它們的形狀和大小。幾何拓撲學是十九世紀形成的一門數學分支，它屬於幾何學的範疇。有關拓撲學的一些內容早在十八世紀就出現了。那時候科學界發現的一些孤立的問題，後來在拓撲學的形成中佔有重要地位。今年獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家可以說是凝聚態拓撲物態研究的先驅，他們在拓撲物態研究領域的開創性工作，向前可以追溯至20世紀七、八十年代。

　　拓撲絕緣體結構圖

縱觀人類社會的發展，從古代冷兵器時代，到近代熱兵器時代，再到如今信息化時代，材料一直發揮著至關重要的作用。2010年的諾貝爾物理學獎授予了英國曼徹斯特大學的兩位教授安德烈·K·海姆（Andre. Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯也因其優越的材料特性而在短短數十載中逐漸成為人們公認的「新材料之王」。對此，有學者指出：「19世紀是鐵器的時代，20世紀是矽的時代，21世紀則是碳的時代。」如今，拓撲理論的發現對物理學領域的「明星材料」——石墨烯，以及其他「超級材料」之間的關係更是成為科學界關注的焦點。

　　石墨烯結構圖

一方面，拓撲學原理是物理學領域的基礎理論，而石墨烯等「超級材料」則是基於一定原理下的具體材料。換言之，它們一個是為了回答「為什麼？」和「是什麼？」這些與原因有關的基本性理論問題；一個則是為了解決「怎樣做？」那些與方法有關的實用性技術問題。從一個角度而言，物理學界公認，索利斯、科斯特利茨和霍爾丹在20世紀七、八十年代做的一系列研究工作，首次將拓撲學原理引入了凝聚態物理學的基礎理論，並對這些物理現象背後的複雜拓撲原因進行了解釋，這無疑為新材料的研究創新提供了理論支撐。從另一個角度而言，石墨烯由於其材質堅硬、透光率高、能量損耗低等性能突出優勢，而使得人們對其在未來軍事領域的應用前景充滿期待，並逐漸成為大國發展軍事技術的關鍵突破口。

另一方面，拓撲學原理為「超級材料」創新的實現提供了可能。有關拓撲學原理的基礎性研究，在為凝聚態物理學帶來深遠影響的同時，也為一系列「超級材料」的研發奠定了基礎。如拓撲材料研究的熱點之一——拓撲絕緣體，就可以看作材料創新的一個典型例子。拓撲絕緣體是一種具有新奇量子特性的物質狀態，其體內與普通絕緣體一樣，是不導電的，但是在它的邊界或表面卻存在導電的邊緣態。在這類神奇的材料上，不同自旋的導電電子的運動方向相反，所以，信息的傳遞可以通過電子自旋，而不像傳統材料那樣通過電荷，因此並不涉及耗散過程。就在2015年8月，我國上海交通大學賈金鋒教授團隊首次製備出了名為「烯錫」的拓撲絕緣體，它只有一個原子層，且卻有蜂窩狀結構，也因此被稱為「石墨烯的堂弟」。

　　拓撲絕緣體在信息技術領域的應用

引領未來是國防科技創新發展的長期根本任務，基礎科學與前沿技術一旦取得重大突破，往往會催生新的科技革命，以至推動人類社會發生變革。因此，我們要堅持引領未來，搶佔科技革命和軍事競爭的戰略制高點，就必須站在科技前沿，唯有如此，軍隊才能站在世界軍事發展的前列。

回顧人類文明進步史，在科學的基礎研究中，每一個重大突破往往都會對軍事技術的創新、武器裝備的發展產生巨大的、不可估量的推動作用。近代力學、熱力學發展引發的第一次工業技術革命，直接導致了潛艇、坦克等裝備的出現，電磁理論突破則催生了雷達、聲納等裝備的問世，相對論、量子力學等基礎理論的突破使得核武器登上了戰爭舞臺。可以說，基礎研究已經越來越成為發明與創新的源頭。基礎研究的重大發現、基礎理論的重大突破往往孕育著新的知識革命，也必然將引發軍事技術和武器裝備方面的新突破。

可以說，今年的諾貝爾物理學獎獲得者為科學界開啟了「異物質」這扇未知世界的大門。恰如今年諾貝爾獎的頒獎詞中所言：「獲獎者為我們開啟了通往奇異物質狀態研究的未知世界的大門。他們使用先進的數學方法解釋在不同尋常的物質相（或狀態）中出現的奇異現象，如超導體、超流體或磁性薄膜。由於他們的開創性工作，針對物質新的且奇異領域的研究已經開啟。」

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