瑞典斯德哥尔摩时间10月4日上午11时45分(香港时间17时45分),2016年度诺贝尔物理学奖被授予美国华盛顿大学物理学家索利斯(David Thouless)、普林斯顿大学物理学家霍尔丹(Duncan Haldane)和布朗大学物理学家科斯特利兹(Michael Kosterlitz),以表彰他们在物质的拓扑相变(topological phase transitions)和拓扑相(topological phases)领域的重要理论发现。总奖金为800万瑞典克朗(约合93万美元),其中一半被授予索利斯,霍尔丹和科斯特利茨则分享另外一半。
本年度的获奖者开启了通往奇异物质状态研究那个未知世界的大门。他们通过先进的数学方法对物质不同寻常的相(phase)或状态(state)开展研究,比如超导体,超流体或是超薄磁膜等。由于他们开创性的工作……相关理论未来有望在材料科学和电子学领域得到广泛应用。
本次获奖的三位物理学家均出生于英国。现年82岁的索利斯于1958年在美国康奈尔大学获得博士学位,目前是华盛顿大学名誉教授;现年65岁的霍尔丹于1978年在英国剑桥大学获得博士学位,目前是普林斯顿大学希金斯(Eugene Higgins)物理学教授;现年74岁的科斯特利兹于1969年在英国牛津大学获得博士学位,目前是布朗大学法恩斯沃思(Harrison E. Farnsworth)物理学教授。
三位获奖者对物理学中拓扑概念的运用,在他们的创造性发现中起到了关键作用。拓扑学(topology)是近代发展起来的一门数学学科,用来研究各类空间在连续的变化下不变的性质。
1970年代,当时的主流观点认为,超导态和超流体态不可能出现在薄层材料(即二维空间)中,但科斯特利兹和索利斯颠覆了超导体和超流体的这一理论,他们的研究成果不仅展示了超导态在低温下的可能性,还解释了超导态在温度升高时消失的机理和相变机制。
1980年代,索利斯又解释了先前实验中的遗留问题,即薄层材料中测量到的电导率都是精确的整数倍关系,他揭示了这些整数倍电导率是这类材料“天生”的拓扑性质;几乎同时,霍尔丹应用了拓扑概念来理解某些材料中的“小磁铁链”(chain of small magnets)性质。
如今人们所知道的很多拓扑相,不仅存在于薄层材料和细线材料(即一维空间)中,也存在于普通的三维材料中。在过去10年,该领域一直是凝聚态物理研究的前沿,拓扑材料极有可能应用于下一代的电子器件与超导材料,也可以应用于未来的量子电脑。