编者按如果说老师是心灵的工程师、人才的塑造者，那么凝聚态物理学家就是波的工程师，"宝石"的塑造者。有些宝石，改变了我们的社会，改变了我们的生活方式。
我们的世界是一个量子世界。量子世界的一切存在都非常奇怪：它们既是粒子又是波，既不是粒子也不是波。我们熟识的电子也不例外，它既是粒子又是波。依据电子的波的内涵，我们可以用一个波动方程来描写电子的行为。
不同材料里的电子会有不同的行为。也就是说，不同材料里的电子，会按照不同的波动方程来运动。这就导致了不同材料会有不同的电学性质。凝聚态物理的研究，就是希望找到各种各样的材料，它们有着各种各样不同的电学性质。也就是说，通过寻找各种材料，来实现各种不同的电子波动方程。这就是我们为什么说，凝聚态物理学家是波的工程师。
一百多年前，物理学家发现了很多导电能力介于金属和绝缘体之间的材料。而其导电能力又随温度会发生很大变化。这类材料就叫做半导体。当量子力学理论建立以后，人们发现半导体中的电子满足的波动方程，是一个有质量的狄拉克方程。(其实真空中的电子的波动方程，也是个有质量的狄拉克方程。)对半导体材料的研究，也就是对这些有质量的狄拉克方程的研究，由此发明了各种各样的半导体器件。这使我们现在经历的信息时代成为可能。1956年的诺贝尔奖就是发给一种半导体器件(晶体管)的发明。
1911年，物理学家发现了超导体。超导体中的电子有完全不同的行为，满足完全不同的波动方程：马约拉纳方程。1913年，超导体获得了诺贝尔奖。到1987年，高温超导体也获得了诺贝尔奖。
其实马约拉纳方程有两种形式，分别是有质量的马约拉纳方程和无质量的马约拉纳方程。低温超导体中电子的波动方程，是有质量的马约拉纳方程，而高温超导体中电子的波动方程，是无质量马约拉纳方程。
前些年发现的石墨烯，其中电子的波动方程是无质量的狄拉克方程，这导致石墨烯有各种各样不同于半导体的电学性质。石墨烯的发现获得了2007年诺贝尔奖。
今年，中国科学家和美国科学家同时又发现了一种新材料，其中电子的波动方程是外尔方程*。(
赛先生曾做过详细报道，点此获取该文)。这种材料也会有不同于半导体的电学性质，是一个令人激动的新发现。这种材料能否促生新的电子器件，将是今后研究的重要方向。
《物理世界》刚刚把对这种新材料的发现评为今年十大发现之一。但《物理世界》对这一材料的评价并不十分准确："The massless nature of Weyl fermions means that they could be used in high-speed electronics; and because they are topologically protected from scattering, they could be useful in quantum computers"。其中文翻译是："外尔型电子的无质量特性，意味着它们可能用于高速电子器件，同时因为拓扑保护，使它们不能发生散射，所以它们也可能对量子计算机有用"。一个中文媒体把上面这段话编译为："由于它属于拓扑绝缘体，不会发生散射，在量子计算机中也将大有用处"。
其实，这种新材料不属于拓扑绝缘体，没有什么拓扑保护，是会发生散射现象的，在量子计算机中也没什么用处。
拓扑保护是我在1989年研究拓扑物质态时提出的新概念。拓扑保护发生在量子霍尔材料中。它使量子霍尔材料中的电子，在边界上完全没有散射，导致量子霍尔材料的边界像超导体一样，具有零电阻。
而新发现的外尔材料，并没有这样的拓扑保护。即使是拓扑绝缘体，也只有对称保护，没有拓扑保护。这种拓扑保护，来源于量子霍尔材料中电子的高度量子纠缠。所以只有量子霍尔材料，才可能会对利用量子纠缠来进行的量子计算有用处。同时，量子霍尔材料的零电阻边界，可能会带来一代全新的电子器件。量子霍尔材料和分数量子霍尔材料的发现，曾分别获得1985年和1998年的诺贝尔奖。
*外尔方程的发明人外尔，同时作为数学家和物理学家，是科学界中的一个传奇。
发表于 2015-12-21 02:13
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