斯坦福大学教授张首晟十年前对拓扑绝缘体做出了重大贡献,今年诺奖得主中曾有人与张首晟共同获得其他物理奖项,原因是表彰他们在这方面的工作。张首晟没有获得今天的诺贝尔物理奖,或将在华人物理学界引起热烈讨论。
2016年诺贝尔生理或医学奖获得者David Thouless(1/2)、Duncan Haldane(1/4) and Michael Kosterlitz(1/4)10月4日,“诺贝尔奖周”迎来了第二天,诺贝尔物理学奖公布其获奖名单,戴维·索利斯(David J. Thouless)、邓肯·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和迈克尔·科斯特利兹(J. Michael Kosterlitz)获诺贝尔物理学奖。
其获奖理由为“在拓扑相变以及拓扑材料方面的理论发现”。
作为今年得奖工作的核心,拓扑解释了为什么薄层内的电导率会以整数倍变化。科斯特利兹和索利斯研究了薄层(物理学家称之为二维材料)表面以及内部的电行为。霍尔丹研究了构成因为太纤细而视为一维的线状物的物质。
相变反映了物质性质的突然变化,比如气温变化造成的冰、水和水蒸汽的过程。然而,类似于传统的固体、液体以及气体三种状态,索利斯、霍尔丹和科斯特利兹向我们展示了材料在电性质上也会发生突然的转变。这可以通过随着温度的下降电阻的突然减小而被证明。拓扑相变最初被发现于有着薄层的物质,或者构成线状物的物质,但是现在的科学家发现这种“奇异”的电性质可以在很多种材料中被发现。
三位获奖人将拓扑概念应用于物理学是其成果的关键。拓扑学是数学的一个分支,它描述的特性只会阶越式地改变。将拓扑学作为一种工具,他们做出了颠覆性的发现。20世纪70年代初,当时的主流观点认为超导或超流不可能在薄层中发生,而迈克尔·科斯特利兹和戴维·索利斯推翻了它。他们证明了超导能在低温条件下发生,并阐明了其中的机制:相变使得超导现象在高温条件下消失。
我们现在已经知道了很多的拓扑相,不仅局限在层状材料或线状材料之中,而且存在于普通的三维材料中。在过去的十年中,这一领域大大鼓舞了凝聚态物理前沿的研究,尤其因为拓扑材料在新一代的电子学和超导体,甚至是未来的量子计算机中的应用前景。目前的前沿研究也正在一步步揭开拓扑这个神奇领域的面纱。