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诺贝尔物理学奖揭晓:三名科学家因拓扑相变理论获奖

刊登于 2016-10-04

诺贝尔物理学奖结果公布,得主为David Thouless、Duncan Haldane、Michael Kosterlitz。
诺贝尔物理学奖结果公布,得主为分别为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)

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。

诺贝尔奖委员会颁奖辞

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。

三名诺贝尔物理学奖得主,左起:David Thouless、Duncan Haldane、Michael Kosterlitz。
左起: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)

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。

31 /110
自1901年起,诺贝尔物理学奖已经颁发110次,其中有31次是三人共享。

拓扑学与物理

在数学里,拓扑学(topology)或意译为位相几何学,是一门研究拓扑空间的学科,主要研究空间内,在连续变化(如拉伸或弯曲,但不包括撕开或黏合)下维持不变的性质。这些词汇的来源可追溯至哥特佛莱德·莱布尼兹,他在17世纪提出“位置的几何学”(geometria situs)和“位相分析”(analysis situs)的说法。李昂哈德·欧拉的柯尼斯堡七桥问题与欧拉示性数被认为是该领域最初的定理。“拓扑学”一词由利斯廷于19世纪提出,虽然直到20世纪初,拓扑空间的概念才开始发展起来。到了20世纪中叶,拓扑学已成为数学的一大分支。在物理学里,拓扑学被用于量子场论及宇宙论等领域。拓扑量子场论(或称拓扑场论)是一个用来计算拓扑不变量的量子场论。虽然拓扑量子场论是由物理学家所发明,但亦与数学相关,与代数拓扑学里的纽结理论及四维流形之理论,以及代数几何里的模空间之理论等,均有关连。在宇宙论里,拓扑学可用来描述宇宙的整体形状,这个领域被称为时空拓扑学。(资料来自维基百科)

来源:诺贝尔奖官网新浪科技深科技

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