摘要：研究突破：研究人员最近发现，氦等稀有气体和铝等金属的薄层在受限空间中如何通过拓扑激发发生熔化。实验中，这些层被夹在两层石墨烯之间，并在高压下观察其行为。
在物理学中，相变是指物质从一种形式转变为另一种形式的过程。它们广泛存在，从地球地壳深处到遥远恒星的核心，经典的例子是水通过沸腾从液态变为气态。
当物理学家将视角缩小到微观的量子领域或研究奇异物质时，问题会变得更加复杂。理解相变不仅能深化对基本物理规律的认识，还能为未来技术应用提供基础。
研究突破：
研究人员最近发现，氦等稀有气体和铝等金属的薄层在受限空间中如何通过拓扑激发发生熔化。实验中，这些层被夹在两层石墨烯之间，并在高压下观察其行为。
研究团队由阿尔托大学应用物理系教授Tapio Ala-Nissilä、普林斯顿大学著名教授Roberto Car以及中国南京大学的物理学家组成。团队还包括2016年诺贝尔物理学奖得主Michael Kosterlitz（来自布朗大学），他因在拓扑相变领域的研究获奖。
研究聚焦于相对简单的层状材料在受热和夹在石墨烯层之间的高压下熔化的方式。这些材料的熔化过程与传统理论预测的完全不同。
关键发现：
层数决定熔化方式：研究发现，材料的熔化方式高度依赖于它们在石墨烯片之间的层数。Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) 理论（库斯特利茨-索利斯-哈尔佩林-纳尔逊-杨理论）预测单层材料的熔化过程分为两步。研究验证了这一理论，但还发现额外的层会以更复杂的方式排列并以意外方式熔化。拓扑激发的作用：通过分析拓扑激发（topological excitations）的变化，团队确定了多层材料熔化的机制。机器学习加速研究：为了减少计算复杂度，团队开发了基于机器学习的方法，在分子级别上进行建模，同时保持量子力学相互作用的准确性。“随着材料层数的增加，建模计算变得过于复杂。我们的方法首次实现了对高达12层材料的详细计算。”Ala-Nissilä表示。无限层数的熔化：理论上，无限层数的材料熔化方式与KTHNY理论完全不同。尽管计算上不可行，但研究有限层数是否能模拟这一现象。单层的突变熔化：尝试让单层材料发生突变式熔化，并观察其对整个过程的影响。拓扑物质的潜力：几十年前，拓扑物质理论刚提出时被认为无实际用处，但现在它可能成为未来量子计算的基础。这凸显了基础研究的重要性，即使短期内看不到应用。来源：量子梦