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咖啡杯與甜甜圈可以在拓撲學上等價是因為甜甜圈和咖啡杯都只有一個洞，你服不服。拓撲材料的定義到底是什麼？霍爾效應扯上量子力學，這樣的拓撲材料是華人科學家發現的！
今天和大家聊聊具有自旋量子霍爾效應的拓撲材料，在開始之前要先說說著名的華裔物理學家，史丹福大學教授張首晟，雖然這位老師已經離世，但是其學術貢獻依然造福著人類。
張教授的學術領域叫做「凝聚態物理」，簡單來說，就是研究那些聚合在一起的物理系統的性質。在之前，我們總是研究一個原子的性質如何如何，但現實生活中，原子時以龐大的數量存在於各種材料中的。譬如石墨這種材料裡大量的碳原子以蜂窩狀排列會產生奇異的電學性質，譬如可以形成超導體。
凝聚態物理的分支有很多，張教授研究的就是其中最前沿的拓撲材料。拓撲是一個幾何學概念，拓撲學只關心物體形狀的定性性質，如果兩個物體身上的洞的數量一樣多，我們就說這兩個物體在拓撲上等價。著這個定義下，咖啡杯和甜甜圈拓撲等價，男人和女人不等價。
張教授在這個領域做出了巨大貢獻，因為他做出了擁有自旋量子霍爾效應性質的拓撲材料，並被實驗驗證。霍爾效應在19實際末就被發現了，講的是往一塊扁平導體上加個磁場，再給導體通上電，流動的電子受到磁場的作用，在導體上建立新的電場，並且得到一個電阻，這個電阻跟導體的形狀以及磁場的大小有關。
量子霍爾效應就是把加在導體上的磁場調到非常大，材料的電阻變得跟導體的形狀以及磁場的大小都沒有關係了，只取一些特定數值，就好像階梯一樣，是量子化的。這個就是拓撲性質，磁場小的時候，電子流動形狀像麵條，磁場大的時候，電子流動形狀就變成了轉圈圈，圈圈的拓撲結構上有一個洞，但是麵條上沒有洞，因此電阻變得只跟圈圈個數這樣的拓撲性質有關。
自旋量子霍爾效應就是在沒有外磁場的情況下，僅僅利用電子的自旋與自身軌道之間的相互作用就能產生量子霍爾效應。這種擁有穩定量子化電阻物理性質的材料給量子計算機的實現提供了可能性。量子計算機有多厲害，這麼說吧，計算機再快，在面對量子計算機時就好像算盤遇上了計算機一樣，絕對是一場技術革命。
好了，今天就介紹到這裡了，你覺得人類什麼時候能夠發明商用甚至民用量子計算機？歡迎在留言區參與評論。