新聞及香港科大故事
2022
新聞
科大共同研究發現食鹽的拓撲特性及其角落電荷
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。