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《科学》:研究称物质有500种相态

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核心提示:在最新一期美国《科学》杂志上,加拿大佩里米特理论物理研究所研究员文小刚以一篇重要的论文揭示了对物质进行重新分类的现代新方法。

忘记由固态、液态、气态组成的所谓“物质三态”吧:物质其实有500多种相态。在最新一期美国《科学》杂志上,加拿大佩里米特理论物理研究所研究员文小刚以一篇重要的论文揭示了对物质进行重新分类的现代新方法。

作为物理学的一个分支,凝聚态物理学的职责是发现并描述物质的大部分相态。其划分相态的传统方法就是参照物质基本组成单元(通常为原子)的组合方式,而这种组合方式的关键就是所谓“对称性”。

为理解什么叫对称性,我们可以想像自己乘坐一艘小得不能再小的飞船,遨游在液态水的海洋里:原子会以随机的方式在你周围漂动,而且它们在所有方位(无论是你上面、下面还是侧面)的运动状况都是相同的。这种现象的科学术语就是“对称性”。液体具有高度的对称性,而水的另一种相态———冰晶就没有这么高的对称性了。如果你同样遨游在冰的世界中,就会发现两旁都是一列列整齐的晶状结构,如同一幢幢没有完工的摩天大楼的梁架结构,而且每换一个角度都能看到不同的景象。物理学家就此认为液态水的那种高度对称性被打破了。

依据对称性的状况以及对称性被打破的位置及方式对物质的相态进行分类的方法被称作“朗道范式”。由于物理学家们对前苏联科学家朗道的这一理论非常满意,因此他们在很长一段时期内都相信物质的所有相态都可以通过对称性来分辨。于是,当他们发现一些无法被朗道解释的相态时着实吃了一惊。

从上世纪80年代起,包括文小刚在内的凝聚态物理学家们研究了新的量子系统。在新的理论框架下,用来分辨相态的不再是对称性状况,而是量子的一种明确的属性:纠缠性。当两个粒子处于纠缠关系时,无论两者相距多远,你对其中一个粒子的操作都会同时影响到另一个。在这样的框架下,如果你再次乘坐微小的飞船遨游在冰晶城市中,你所关注的便不再是水晶般的梁架结构与高楼大厦,而是这些建筑间无形的联系———就好像在通过电话线上的信息流来观察一座城市似的。

由文小刚等人研究出的这种描述物质的方式更具有概括性,用处很大,但仍有少数相态不符合这一理论框架。具体来讲,有一组近距离纠缠态并不会打破对称性规律,这就是所谓的保有对称性的拓扑态。

在美国《科学》杂志的文章中,文小刚及其研究伙伴揭示了一种能够最终对此类保有对称性的相态进行分类的新理论体系。

在现代数学理论的帮助下,他们得以在任何维度、任何对称性的基础上对保有对称性的相态实施构筑和分类。这种新的分类体系有助于我们深入了解物质的量子态,并反过来增强我们设计物质的相态并应用于超导体或量子计算机领域的能力。

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