初探拓扑量子物理————《科学之光—量子神奇》第四讲

发布者:本科教学发布时间:2021-04-19浏览次数:10

科学之光量子神奇》第四讲由教育部长江学者奖励计划特聘教授、物理学院张海军教授开讲,主题是拓扑量子物理。

拓扑量子物理对于本科同学来说相对较为陌生,张教授的讲座首先从量子物理与经典物理的区别开始说起。张教授指出,物理学与经验主义有本质的区别,物理学通过实验和逻辑推导,科学地追寻一切物质最基本的运动形式和规律。提到经典物理,张教授向同学们介绍了三位代表性的科学家:伽利略、牛顿和麦克斯韦。张教授认为,伽利略作为现代物理学之父,不仅设计了著名自由落体实验,更比亚里士多德更进一步,强调实验在物理学研究中的重要作用;牛顿提出了万有引力定律,建立了经典力学大厦;麦克斯韦统一了电学和磁学,建立了完备的经典电磁学理论体系。

紧接着,张教授通过20世纪初著名的黑体辐射和紫外灾难的例子,指出普朗克率先推开了量子物理的大门。随后发现的光的波粒二象性、光电效应,爱因斯坦等科学家加深了人们对于量子性质的理解,量子物理逐渐开始真正成为了一个独立的物理研究领域。张教授指出,经典物理的世界观带有机械论的局限性,即认为一切都是确定性的,物体的运动都是可以被准确语言、计算的。而量子物理的世界观充满了不确定性,质点的运动是以概率波的形式描述的,因此具有隧穿效应这样独特地现象。在希尔伯特空间里,波函数还存在着态叠加原理。这些与经典物理是截然不同的。

最后,张教授介绍了拓扑量子物理学。张教授首先介绍了拓扑的概念,即几何图形或空间在连续改变形状后,一些性质仍然可以保持不变。拓扑学只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小,最重要的拓扑性质包括离散性和稳定性。张教授进一步为大家讲解了独特的拓扑相变理论。最早的拓扑相变是1960年发现的KT相变。不同于朗道理论所描述的相变过程,拓扑相变无需具备对称性破缺就可以实现。据此,人们发现了拓扑绝缘体这样一类特殊的物质,它的能带结构呈现绝缘体特性,内部是绝缘的,但其表面具有特殊的边界态,允许电子穿越能隙。由此可见,拓扑相变理论对于未来寻找新的具有奇异特性的材料有深远的意义。最后,张教授补充介绍了拓扑物理学中的量子霍尔效应与量子反常霍尔效应,这是近期国际上由我国科学家主导的前沿科研成果。张教授指出,指出基于量子反常霍尔效应,不仅可以在零磁场的条件下应用量子霍尔效应,还可以在未来制备极低能耗的高速电子器件,成倍地提高计算机的计算能力和容错能力。

张教授的讲座由浅入深,围绕量子物理与经典物理的区别展开,再引入拓扑学的概念,为同学们展现了拓扑量子物理的面貌,进一步激发了同学们对于量子世界的兴趣。(物理学院 郭子靖)