科大共同研究發現食鹽的拓撲特性及其角落電荷

(文章轉載自EurekAlert!,首次刊登於2022年1月28日)

2022-01-30

粵語中有「我食鹽多過你食米」一說。雖然言者未必有意聽者亦無須太認真,但這句俗語卻的確帶出了「食鹽」在我們日常生活中的重要性。而你又可有想過,守候在餐桌角落,重要卻不起眼的食鹽,竟然會與前沿物理研究及抽象數學理論扯上關係呢?

香港科技大學(科大)與東京大學的研究團隊近日發表共同研究,證明了食鹽(氯化鈉)的離子晶體結構具有拓撲學意義上的不平庸性,意即食鹽立方晶體的角落實帶有不尋常的分數電荷。這個研究證明即使是結構簡單的離子化合物,亦可能具有新穎的拓撲材料特性。而這些先前未被發現的拓撲特性,可能會為我們對結晶體的形成與溶解的微觀過程帶來更佳的理解,亦可能同時為微型量子導體的研發開拓出新方向。

我們的日常生活隱藏了大大小小、形形色色的先進材料。就以智能手機為例,在鋁合金外殼和強化玻璃螢幕中的小小空間,便收藏了包含金、銀、銅、錫等金屬以及玻璃、雲母等絕緣體的電路板,還有建基於半導體技術的微處理器等等元件。人類利用了特性迴異的各式材料,創造出日新月異的電子設備,但大自然卻早以更精巧的手法,把相反的物理性質結合在單一材料之中。而這些新奇的材料,在學界被稱為「拓撲材料」。

作為一個數學概念,拓撲學的主要目的是理解及探索抽象空間和物質在特定改變之下(例如拉扯、壓迫或彎曲),具有甚麼不變的特性。舉個例子,即使我們扭曲、拉扯一件毛衣,或這件毛衣縮了水,只要我們不把毛衣撕破,它還是有四個開口:頸項、雙手和腰部。假如我們把毛衣替換成連帽衞衣以至運動背心,它們的開口數目同樣維持在四個。從拓撲學的角度而言,這些衣物是一樣的。物理學家近年發現拓撲材料的電子特性亦不合常規,譬如說,拓撲材料的內部是不導電的,但在其外圍的薄薄一層原子卻必然導電。它們不能被簡單定義為絕緣體或導電體,而是結合兩者的自然產物。拓撲材料的新奇特性讓科學家着迷,當中二維材料石墨烯可以說是與生活應用最接近的一員,其他的拓撲特性一般都只能在少數不常見或難以合成的材料中實現。

The crystal structure and emergent fractional corner charges of table salt
食鹽之晶體結構及其不尋常的分數角落電荷

不過,根據科大物理系的傅凱駿助理教授和東京大學的渡邉悠樹教授共同進行的研究,平凡無奇的食鹽亦具有「高階拓撲性」。雖然像食鹽一樣的離子晶體必然是從內至外均一貫絕緣,但研究團隊發現食鹽立方晶體的角落帶有的有效電荷不多不少,剛剛好是基本電荷的八分之一。這個對不尋常角落電荷的拓撲性預測,就有如衣物的開口數目一樣具有共通性。所以,即使我們把食鹽(氯化鈉)晶體換作氯化銀以及氟化鉀等等其他離子晶體結構,這個晶體的分數角落電荷都不會改變。

渡邉教授認為,研究帶出新興拓撲材料概念與日常生活中常見物質的關連,結果是出乎意料的。傅教授則表示﹕「是次研究成果顯示大量的離子晶體亦具有類似的拓撲特質,而當中可能包括在其他如化學或藥物學等領域中廣泛應用的化合物。由此延伸的研究,有機會能為我們帶來新的微型量子導體。」他亦補充指﹕「更加有趣的發現是,原來通過食鹽,我們每天都把比電子更少的有效電荷吃進肚裏而不自知。」
 
有關研究結果已獲美國物理學會出版的「物理評論X」刊載。

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