トポロジカル物質とは何か 最新・物質科学入門

トポロジカル物質とは何か　最新・物質科学入門 (ブルーバックス)
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長谷川 修司 講談社 2021年01月21日頃

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2016年ノーベル物理学賞は、
デイヴィッド J．サウルス教授、
F. ダンカン M. ハルデーン教授、
J. マイケル・コスタリッツ教授
の3名が受賞しました。

受賞理由は、「物質のトポロジカル相
とトポロジカル相転移の理論的発見」
です。

ここで注目されたのが物質の
「トポロジカル性質」です。

言葉の由来は、数学のトポロジーから。

数学で言うトポロジーとは、連続的な
変形によって影響されない図形の
「不変な」指標に着目するもの。

直感的に理解されるために、
よく例として用いられるのは、
紙のテープを1回ひねってつないで
できる「メビウスの輪」です。

メビウスの輪では、外側の面から
出発して1周回るといつのまにか
内側の面になります。

元の地点に戻るには更にもう1周
する必要があります。

メビウスの輪をどんなに変形しても
単純な輪に戻すことはできません。

これは、トポロジカル物質と
通常の物質が「別世界」のもの
であることを象徴的に表しています。

　「トポロジカル物質とは何か、
　それを知るには、それにトポロジカル
　物質でない通常の物質を接触させて
　つなげてみるといいでしょう。
　そうすると外見上はつながっている
　2つの異なる物質ですが、それぞれ
　 “別世界の物質” なので、その2つは、
　ある意味、素直にはつながらない
　のです。そのため、その境目、
　つまり界面には、2つの別世界を
　橋渡しする “細い通路” とでも
　呼ぶべき状態、 “トポロジカル
　表面状態” ができます。」

本書は、人類の物質観を革新する
物質群である、「トポロジカル物質」
のしくみを解説する本。

著者は、東京大学大学院理学系研究科
物理学専攻教授の長谷川修司さん。

本書では、概念的にわかりにくい
トポロジカル物質を数式なしで
説明します。

数式どころか、物理学の基礎的な
知識がなくともわかるように解説
しています。

では、トポロジカル物質を理解する
ために何が必要なのか？

実は、ちょっとSF的な考えです。

　「トポロジカル物質は、驚くなかれ、
　世の中の時間の進み方が逆転したら
　どうなるのか、あるいは世の中の
　上下左右が逆転したらどうなるのか、
　といった奇想天外なことを考えて
　初めて理解できるものです。」

時間の流れを逆転しても、その性質が
変わらないのがトポロジカル物質。

しかし、ある見方をすると時間を
反転すると、違った性質にも見える
ようです。

いずれにせよ、普通の物質では
見られない、特別な性質を持ちます。

特殊なトポロジカル物質ですが、
その物質群は実は昔から知られ、
研究されていた物質が多いようです。

目の前にあったのに、その性質が
見えていなかった。

それはトポロジーの概念で見ないと、
別世界の有り様が理解できなかった
からです。

本書では、第1部でこれまでの
ノーベル賞の中で、物質科学に
関連するテーマを紹介。

第2部で、バーチャル空間で物質を
観る、量子物理学での表現方法に
ついて説明。

第3部で、肝となるトポロジカル物質
とは何かを、詳しく解説しています。

この本から何を活かすか？

ところでトポロジカル物質は、
一体、何に応用できるのでしょうか？

　「トポロジカル超電導に出現する
　マヨラナ粒子という不思議な
　状態を使うと、トポロジカル量子
　コンピュータと呼ばれる雑音に強い
　量子コンピュータを作れる可能性が
　見えてきたので、世界中で熾烈な
　研究競争が展開されている熱い
　トピックです。」

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