中国科学家解读2016年诺贝尔物理学奖

北京时间10月4日下午5点45分，2016年诺贝尔物理学奖揭晓，三位英美科学家大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨获奖。获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。

尽管三位获奖者对于获奖表示“有点晕”“试着接受它”，但在物理学界看来，他们是“实至名归”。他们利用高等数学方法研究了物质的一些特殊相或状态，更因为他们奠基性的工作，材料科学和电子学的未来应用前景充满希望。

此次诺奖颁布之前，复旦大学物理系教授施郁就在科学网博客做了预测，可能会是拓扑方向的研究获奖。

“果不其然，这次获奖的是拓扑相变和拓扑相物质的研究。”施郁接受《中国科学报》记者采访时说，“拓扑本是数学分支，但今年获奖的研究是某种物理性质。”

拓扑描述的是当一个物体在未被撕裂的条件下，被拉伸、扭曲或变形时保持不变的特性。

拓扑学的目标是通过一些基本特征如坑洞的数量，来描述形状和结构。因此，从拓扑方面来说，一只马克杯和一个硬面包圈是一样的，因为它们都只有一个开口，而蝴蝶脆饼则不同，因为它有两个开口。

“三个人最主要的贡献就是把拓扑的概念用到了物理学上。。

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，而迈克尔·科斯特利茨和大卫·索利斯推翻了这一理论。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，大卫·索利斯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，邓肯·霍尔丹发现，可以用拓扑学来理解某些材料中的小磁体链的性质。

正因为大卫·索利斯参与了两项工作，所以独享一半奖金，邓肯·霍尔丹与迈克尔·科斯特利茨分享另一半奖金。

“他们发现了新的物质形态——拓扑物质态。普通人能看到气态、液态、固态这常见的三种物态，更深刻的层次有很多物质态的分类。”王玉鹏解释说，“比如说电子，导电的时候是流动的，从物理上就可以认为是液态的。”

今年诺奖物理学奖得主打开了一扇通往未知世界的大门，他们的发现带来了对物质奥秘理论理解方面的突破，并创建了培育新材料的新视角。

“他们三人做出了奠基性工作。”王玉鹏说，“最近几年很热的拓扑绝缘体、热尔半金属、量子反常霍尔效应，都是拓扑物质态。”

现在已知的拓扑相有很多种，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。

“新材料、量子计算和信息科学领域都已有较多的应用。”施郁告诉记者，量子是一个很敏感、容易受影响的物质，如果与拓扑相物质结合，就会得到很稳定的状态，对研究会有很大的帮助。

量子霍尔效应曾两度摘得诺奖：1980年，德国科学家冯·克利青发现了“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖；1982年，美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现了“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林给出理论解释，三人分享了1998年诺贝尔物理学奖。

“这次三位获奖者的工作是对整个拓扑物质态的深刻的理解，不仅限于量子霍尔效应。”王玉鹏说，“真正由物理学家认识到，并且将其在物质世界里实现。”

如今，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。

从1973年到现在接近40年的研究，尤其这些年与拓扑相关的研究特别热。为什么之前没得奖？，这项工作的意义非常重大，但以前只是理论研究，这些年真空技术、材料研究等跟上后，人们可以找到具有拓扑性质的东西，反过来证明了前面研究的伟大。

“我们国家在基础性理论方面的研究从七八十年代就有了，后来在拓扑绝缘体这些热潮中也作出了很重要的贡献。”王玉鹏说。

2010年，、戴希带领的团队与张首晟教授等合作，从理论与材料设计上取得了突破，他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的最佳体系；2013年，、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关，最终成功地在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中观测到了量子反常霍尔效应。

而对量子反常霍尔效应从理论上做出的预言的正是今年的诺奖得主之一——邓肯·霍尔丹。1988年，他提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

除此之外，我国科学家预言了三维拓扑绝缘体并很快在实验上发现，进而推动了整个国际上拓扑绝缘体的研究热潮；首先预言并观测到了外尔费米子；量子计算机的研究取得进展……这些都是拓扑物态研究中的中国力量。

“最近七八年，中国关于拓扑物质态的研究在国际上作出了举世瞩目的贡献。”王玉鹏说。

记者：陆琦 郭爽 张楠 冯丽妃

来源：中国科学报

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