物理群星
1973 凝聚态

二维拓扑相变

The Kosterlitz–Thouless Transition

定理说二维世界不可能有长程序,实验里的氦薄膜却照样在某个温度变成超流——答案是这场相变不破坏任何对称性,被拆开的是涡旋。

当时的困境

1966 年,默明与瓦格纳证明了一条干净利落的定理:在二维、连续对称的系统里,热涨落会摧毁任何长程序。哪怕温度低到接近绝对零度,只要不是零,涨落的累积效应也足以把整齐的取向抹平。

这条定理和当时相变理论的全部框架撞在了一起。按朗道的说法,相变的定义就是序参量从零变成非零,同时一个对称性被破坏:铁磁体挑一个磁化方向,晶体挑一套周期。二维里既然长程序不存在,序参量就永远是零,那也就无所谓相变。

麻烦在于实验。铺在基底上的液氦薄膜,只有几个原子层厚,几乎就是二维的,可它偏偏在某个确定的温度上突然变成超流。二维超导薄膜、吸附在石墨上的单层薄膜也都表现出明确的转变点。

理论说不该有,实验说就是有。差的不是精度,是概念。

洞见时刻

1970 年代初的伯明翰大学,索利斯正琢磨二维体系里的涡旋与位错。科斯特利茨刚从高能物理转过来,课题接连被人抢先,恼火之下挨个办公室敲门问「有没有题给我做」,敲到了索利斯的门。

他们把注意力从「整体有多整齐」挪到了「缺陷长什么样」。

二维超流里的涡旋,是流速绕着一点转圈的漩涡;数学上它像平面上的一个点电荷,两个涡旋之间以对数势相互作用。关键的一步是算一笔自由能的账:造出一个孤立涡旋,能量随体系尺寸 R 对数增长;而这个涡旋能待的位置数正比于 R²,熵也是对数。

能量与熵之比里,尺寸 R 同时出现在两边,于是它约掉了,只留下一个转折温度。低于它,孤立涡旋的自由能是正的,涡旋只能正反成对锁在一起,远处看不见它们,超流得以存活;高于它,拆散一对涡旋反而降低自由能,涡旋自由游荡、耗散流动,超流当场消失。

这是一场没有对称性破缺的相变。区分高低温两个相的不是序参量,是涡旋对被不被拆开——一个拓扑判据。1974 年科斯特利茨用重整化群把整套理论做完整;苏联的别列津斯基在 1970–71 年独立得到了相近的结论,因此文献里常写作 BKT 相变,可惜他 1980 年就去世了。

涟漪效应

这套理论一开始并不被普遍接受。转折点是 1977 年:科斯特利茨与纳尔逊算出,二维超流膜的超流密度在相变点上不是缓慢地降为零,而是从一个由基本常数与氦原子质量定死的值直接跳到零,跳变高度与薄膜多脏多厚全无关系。一年后,毕晓普与雷皮的实验量到了这个跳变,理论争论就此结束。

同样的图像随即铺开:二维晶体的熔化由位错解对触发(KTHNY 理论),二维超导薄膜与约瑟夫森结阵列有各自版本的 BKT 转变,2006 年冷原子实验在受困二维原子气中看到了同样的渡越。今天做超导量子比特的工艺里,薄膜是不是处在 BKT 温度以下,是一个要算的实际问题。

更深的影响是语言层面的:拓扑缺陷、拓扑不变量、不带对称性破缺的序,从此进入凝聚态物理的日常词汇。索利斯本人 1982 年就把同一思路用在了量子霍尔平台上。

如果没有它

二维是今天材料研究的主战场——石墨烯与各种单原子层、超导薄膜、界面上的二维电子气、光晶格里的冷原子。若没有 BKT 这套框架,这些体系里最基本的一个问题「它到底会不会有相变、在什么温度」就没有理论可依。

而在更大的尺度上,它是朗道范式第一次被明确突破:物质的相不止能靠「对称性破缺」来分类。这一句话打开的门,通向后面四十年的拓扑物态研究。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.默明与瓦格纳《一维或二维各向同性海森堡模型中不存在铁磁性或反铁磁性》,《物理评论快报》第 17 卷第 1133 页(1966)
  2. 2.别列津斯基《具有连续对称群的一维与二维系统中长程序的破坏》,《实验与理论物理学杂志》第 32 卷第 493 页(1971)——独立得到相近结论,故文献中亦称 BKT 相变
  3. 3.科斯特利茨与索利斯《二维系统中的有序、亚稳性与相变》,《物理学杂志 C》第 6 卷第 1181 页(1973)
  4. 4.纳尔逊与科斯特利茨《二维超流中超流密度的普适跳变》,《物理评论快报》第 39 卷第 1201 页(1977)
  5. 5.毕晓普与雷皮《二维氦四薄膜超流转变的研究》,《物理评论快报》第 40 卷第 1727 页(1978)——量到了那个跳变
  6. 6.哈济巴比奇等《受困原子气体中的别列津斯基-科斯特利茨-索利斯渡越》,《自然》第 441 卷第 1118 页(2006)