浸大通訊

探索物理新方向：馬冠聰博士應用拓撲概念於聲波領域

2022年5月25日

數學界流行一個笑話：拓撲學家分不清冬甩和咖啡杯。

拓撲學是一個幾何學概念，主要研究物體在扭動或彎曲等連續變化下維持不變的性質。在比喻中，儘管冬甩和咖啡杯的形狀不同，但由於它們都有一個洞，所以在拓撲學的概念中，兩者是相同的。拓撲學屬於數學分支學科，在近數十年才被引入物理學領域，相關研究更曾獲頒諾貝爾物理奬。

今天，物理學家紛紛使用拓撲概念，以嶄新角度來研究物質，而物理系副教授馬冠聰博士是其中之一，他正研究在聲學系統中如何實現拓撲相（topological phases）。

拓展研究新領域

馬博士從事基礎物理的經典波現象研究，主要集中聲波超材料和拓撲物理領域。他開展拓撲學相關的研究，全因他對未知事物的好奇心。

他表示：「世上有太多未為人知的東西，而我對這些未知的好奇心成為了我的推動力，驅使我一直研究下去。」他續說，在研究過程中能夠不斷學習新知識和發現新事物，令他樂在其中。

在拓撲物理的研究中，馬博士希望能在聲學系統中實現新型的拓撲相。他說：「拓撲相可在物理學的不同領域實現，包括電子、量子計算和經典聲學系統。只要能夠拆解不同物理系統中的拓撲概念，便能夠以全新角度來理解物理現象。」

通過聲學了解量子邏輯

一般而言，經典物理學涉及發生在大型或大範圍的物理現象，如聲波和人類可以觀察到的事物，而量子力學則探討肉眼看不見的微觀事物，如原子和次原子粒子。各領域有其適用的定律，不過物理學家一直在尋找可應用於不同大小的理論。

馬博士與研究團隊透過運用理論和聲學實驗，展示拓撲概念為非厄米系統（non-Hermitian systems）提供更深入的見解。非厄米系統為物理理論模型，讓研究人員將基礎量子力學應用至特定的量子理論。研究結果已發表於權威國際期刊《科學》，為改善材料和裝置的研究帶來新方向。

最近，馬博士率領浸大聲波功能材料實驗室的科研團隊，實踐聲學態的非阿貝爾編織（Non-Abelian Braiding）。非阿貝爾編織是在量子計算中實現量子邏輯的重要一環，他們的研究有潛力推動聲波導和光操縱的發展，研究結果已在著名期刊《自然—物理》發表。馬博士說：「我們的研究顯示，實現量子邏輯並非難事，我們用經典系統來試驗，並觀察到有趣的應用效果，就像一個裝滿新玩具的盒子，讓我們探索如何裝配新裝置和實現新的聲波操縱結構。」

物理界新星

馬博士是優秀的年輕科學家，在香港科技大學獲得物理博士學位後，於該校從事博士後研究，並在2018年加入浸大。他的研究論文曾發表於多份同行評審的國際學術期刊，成果獲得認同。他曾獲浸大頒發「2019-2020年傑出青年研究學者獎」，並在由中國科學技術協會主辦、知社學術圈協辦的2021中國新銳科技論壇暨2021中國十大新銳科技人物頒獎典禮中，榮獲本年度「中國十大新銳科技人物」。

馬博士少時已對自然現象深感興趣，既會觀察日常現象如雲的形態，還學習太陽系中的天體，不斷鑽研自然界中的謎題，最後選擇投身科研，專注物理研究。

即使興趣變成職業，但馬博士對未知事物的好奇心絲毫未減。他說：「物理研究帶給我成就感和很多樂趣。至於我如何保持對科研的好奇心？世上總會有未知的事物有待我們發掘。」