2019年1月21日 星期一

拓樸材料於半導體的應用



來個難的。不是對臉友,是問我是否有能力將這個標題講清楚。

我的本行是髙能物理,做理論的要學過很多抽象的數學,許多人視之為畏途的微積分只是入門的第一課,接下來還有線性代數、微分方程等應用工具,還有髙等微積分和複變數,這只是學物理的基本功。要往高能物理走,拓樸、微分幾何、群論、李群、數論、代數拓樸、代數幾何怕是少不了。算一算,除了寫博士論文外,拿個數學的學位儘夠了。

其中在我學術歷程中最令我後悔的是拓樸沒在大學的時候學。硏究所時雖然努力補背景知識,但是年紀大,只能是知識,沒法子當本能了。

連結文中的第一個附圖是拓樸中鼎鼎有名的Mobius strip,還好這可以動手做實驗,講的清。剪一個紙條,如果將一個邊和相對的另一個邊粘起來,會得到一個圓筒。在圓筒外面拿隻筆繞著圓筒軸劃,繞過360度後就回到原奌,圓筒的內面卻是完全沒被觸及,乾淨無缺,所以它有兩個面。如果再把圓筒兩端粘在一起,就成了甜甜圈了。賣弄個術語,這是二維緊緻面除了球以外最簡單的東西了。

但是若把剛剛的紙條先扭個180度再粘合,這時就會得到Mobius strip了,這東西就只有一面。不信?拿隻筆沿著紙條中心劃,要繞720度才會回到原奌,且所有的面都被劃過了。顯然Mobius strip 與剛剛的圓筒有明顯的性貭差異,這性貭就是拓樸。而有些拓樸性質可以用代數的方法量化、計算,這就是代數拓樸。原先是髙能物理人受用的工具,現在又到凝態物理各領風騷數十年。

要更難的?裁一個方形紙片,如果將兩個對邊都粘合,就是剛剛講的甜甜圈。可是兩個對邊要粘合前都先扭轉180度呢?這就是Klein bottle https://en.wikipedia.org/wiki/Klein_bottle。哦,別費勁,粘不成的,至少在我們存在的三度空間是粘不成的。看維基的示意圖,它的一部份從自己中穿出,這在更髙維度的空間才能放得平整。有些人就是有辦法在腦中想像、安置這些複雜的拓樸物體,這就是本能。年紀大了再學,不成了。

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