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拓扑相变原理是什么?拓扑相变让手机不发烫

上传时间:2016-10-08 11:51  来源:www.wsm.cn  手机版

今年的诺贝尔物理学奖非常受关注,不是获奖的人很有名,也不是拓扑和变相的理论特别容易懂,而是拓扑相变有可能让我们的手机不再发烫。这真是造福低头族的一项技术。下面为什么网带你看看拓扑相变原理是什么?拓扑相变让手机不发烫。

拓扑相变原理是什么?拓扑相变让手机不发烫

拓扑相变原理是什么?

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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。例如,一个有把手的茶壶连续变化成轮胎,而不是一个球。

相变:相变就是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,比如冰融化成水。日常生活中最常见的“相”是气态、液态和固态。而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。

拓扑学的概念:它以“洞”为单位来区分

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一个甜甜圈等于一个有手柄的茶杯,一个橙子等于一个长方体,这些看似完全错误的“等式”在拓扑学家眼里却是“正确”的。张海军教授告诉记者,在拓扑学家眼中,物体的几何性质不仅可用寻常的“形状”或是“大小”来区分,也可用“洞”的数量来衡量,这就是物体的拓扑性质。甜甜圈和有手柄的茶杯虽外形不同,但共同点是都有“一个洞”,而橙子和长方体都“没有洞”,因此,这两种原本风马牛不相及的物体,在拓扑学的概念里都是同一类。

兴许是知道“拓扑”的概念过于深奥,在诺奖颁奖典礼上,科学家们也破例在颁奖现场拿出了三个不同的面包,做了实物演示。一个洞都没有的肉桂面包,有一个洞的甜甜圈和含有两个洞的碱水面包虽然在寻常的概念里都属于面包,但在拓扑学的定义里,这三个面包完全属于三类,“毫无关系”。

和我们的生活最接近的拓扑学结构,恐怕要算“莫比乌斯环”。将一个纸条扭转180°后,两头再粘起来做成的纸带圈,纸带便立刻拥有了魔术般的性质,只剩下了一个“表面”和一个边界。如果从中间剪开一个莫比乌斯环,你不会得到两个窄的纸带,而是会形成一个把纸带的头扭转了两次后再粘在一起的环。这就是拓扑学结构在生活中最常见的“存在”。

拓扑相变:相关应用可大幅降低电耗,让手机不再发烫

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南京大学物理学院博士生导师张海军教授介绍,拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑半金属如今已成热议话题。过去十年中,这些技术一直处于凝聚态物理研究的前沿。未来,拓扑绝缘体材料有望改变我们的生活。

这项研究最大的“受益者”,估计是长时间抱着手机不放的“低头族”。未来,你的手机可能不再发烫。拓扑绝缘体材料是一种边界上导电,体内绝缘体的新型量子材料。导电的边界态由于独特的物理特性,在导电过程中不会发热。张海军教授表示,如果能够将拓扑绝缘体材料制成手机芯片,那么就有希望解决手机在长时间充电,或是连续使用时间过长后变得发烫的问题。

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家用电力也和拓扑材料息息相关。张海军教授举例,每个家庭里使用的电力,最开始从发电厂输出时其实电压远不止220伏特,发电厂发出的其实是高压电。但较大一部分电流在通过电线输送到千家万户的过程中,都会产生损耗。如果能够将电线“改造升级”,使用超导材料或是拓扑绝缘体材料,那么便有希望大幅度降低电流“在路上”的损耗。

在过去十多年中,科研工作者在拓扑材料研究领域取得了丰硕的成绩。譬如,2013年清华大学薛其坤院士的研究团队已经成功实现了量子反常霍尔效应,为相关的具体应用和推广敲开了大门。人们对拓扑物质态的研究充满憧憬,希望拓扑材料在不远的将来被应用于新一代电子器件或未来的量子计算机中。