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2016物理学诺奖颁给三位凝聚态领域物理学家
2016-10-05 19:50:07 来源：科学网评论：0 点击：

2016年诺贝尔物理学奖揭晓，三位英美科学家David J Thouless， F Duncan M Haldane，J Michael Kosterlitz获奖。获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。其中，David J Thouless独享一半奖金，F Duncan M Haldane与J Michael Kosterlitz分享另一半奖金。

　　今年的诺贝尔物理学奖授予了三位理论物理学家，分别是美国华盛顿大学的David J. Thouless, 普林斯顿大学的F. Duncan M. Haldane 以及布朗大学的J. Michael Kosterlitz，以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。

三位获奖人。左起：戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利兹

　　拓扑是数学里面给几何空间分类和刻画不变量的一个重要分支。这个数学工具原来在物理里面用的很少，在目前本科物理最重要的基础课-四大力学里也鲜有提及。然而最近十年，在凝聚态物理里面突然发现，很多材料可以用拓扑不变量来分类，并且材料的一些重要物性也和拓扑结构直接相关。虽然目前实际应用价值还不清楚，但其科学意义和一些独特物性已经非常清楚。

　　Haldane和拓扑有关两项重要工作都如此。第一个工作是他在一维量子自旋模型里看出整数自旋和半整数自旋模型完全不一样。前者用现在时髦的语言来说就是有非平庸拓扑序的。第二个工作是他问了自己一个问题：有没有可能不加外磁场实现量子化的霍尔效应？他用一个现在以他名字命名的理论模型给出了肯定的答案。在这个模型中，Haldane第一次指出只要在动量空间能带中存在非平庸的拓扑就可以实现量子化的霍尔效应，也就是说只要在固体能带里去看看没有非平庸的拓扑就行。不幸的是，他这个模型很难在实际材料中实现，因此在80年代提出后，没受太多关注。直到10年前大家发现，如果考虑一下电子有自旋，可以把由两种不同方向自旋的电子构成的Haldane模型巧妙的组合起来，很多材料就都可以由这样组合的模型描写。这类材料就是过去十年凝聚态物理研究热门-拓扑绝缘体。在这个基础上现在已经进一步推广到拓扑半金属，拓扑超导体等一系列材料体系。

　　今年的获奖者打开了一扇通往未知世界的大门，在那里，物质可以呈现出奇怪的状态。他们利用高等数学方法研究了物质的一些特殊相或状态，比如超导体、超流体和磁性薄膜等。感谢他们出色的工作，如今，人类对物质的新奇相态的研究正在展开，材料科学和电子学的未来应用前景充满希望。

　　这三位科学家大胆地将拓扑学概念应用到物理学，对他们后来的发现起到了决定性作用。拓扑学是数学的一个分支，通常用来描述一些逐步变化的性质。三位科学家采用拓扑学作为研究工具，这一举动在当时让同行感到吃惊。在上世纪70年代早期，当时的理论认为超导现象和超流体现象不可能在薄层中产生，而Michael Kosterlitz 和David Thouless推翻了这一理论。他们证明了超导现象能够在低温下产生，并阐释了超导现象在较高温度下也能产生的机制——相变。

　　后来到了80年代，Thouless成功地解释了之前的一个实验，即超薄导电层中的电导系数可被精确测量到整数。他证明了这些整数在自然属性中处于拓扑状态。同时，Duncan Haldane发现，可以用拓扑学来理解某些材料中的小磁体链的性质。

　　现在，我们已经知道拓扑相有很多种，它们不仅存在于薄层和线状物，还存在于普通的三维材料中。过去十年里，这一领域的研究促进了凝聚态物理研究的前沿发展，人们不仅仅对拓扑材料能够在新一代电子器件和超导体中产生应用抱有希望，而且看好其在未来量子计算机方面的应用。此刻，许多研究人员仍在慢慢揭开奇异世界里物质的秘密，而这个奇异世界，是由今年的三位获奖者发现的。

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