[科普中国]-物理诺奖解读：数学与物理学的量子“缘分”

通过数学方法，发现了正常绝缘体的新特性2016年诺贝尔物理学奖揭晓，奖金的一半颁给美国华盛顿大学的David J. Thouless，另一半由美国普林斯顿大学的F. Duncan M. Haldane与布朗大学的J. Michael Kosterlitz共享，“因其发现物质拓扑相与拓扑相转变方面的理论工作”。奇异物质态背后的秘密今年的三位诺贝尔物理学奖得主采用先进的数学方法研究了物质的奇异状态，如超导体、超流体或磁性薄膜等等。他们的先驱性工作为搜寻物质的奇异新状态奠定了基础，或许能在未来的材料科学和电子学中找到用武之地。三位得主的核心成就，是他们在物理学中引入了拓扑的概念。拓扑（Topology）原本是一个数学概念，描述的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。20世纪70年代早期，Michael Kosterlitz和David Thouless颠覆了当时的理论，提出超导和超流性质的新模型，并解释了超导态可以在低温下出现，而在温度升高时消失这一转变（相变）的机制。20世纪80年代，Thouless在理论上解释了超薄层材料导电性呈整数式阶跃的特征，表明这些整数代表着材料的拓扑性质。而差不多在同一时间，Duncan发现了拓扑概念可以用来理解一些材料的磁学特性。到现在，物理学家已经发现了多种多样的拓扑相，不仅存在于薄层和线状结构中，也存在于普通的三维材料中。在过去的10年里，这一领域增长迅速，成了凝聚态物理学中的一支生力军。拓扑材料的研究不仅能帮助我们更深入地了解物质的奇异结构和状态，也为电子学和超导体领域带来了新的应用，或许还能助力未来量子计算机的研发，而这一切都归功于今年这三位诺贝尔物理学奖得主的研究。三位获奖者介绍：David James Thouless生于1934年。他博士毕业于康奈尔大学，导师是著名物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe，也是1967年的诺奖得主），现于美国华盛顿大学任教。他在原子、电子与核子的扩展系统方面做出了很多理论上的贡献，研究领域包括超导现象、核物质特性，以及核内激发态集体运动等。Thouless是英国皇家学会会员、美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士，在获得诺奖之前还获得了1990年的沃尔夫奖、1993年的保罗·狄拉克奖等等。John Michael Kosterlitz 是苏格兰人，现任布朗大学教授，其父Hans Walter Kosterlitz是一名生物化学家。他硕士毕业于剑桥大学，博士毕业于牛津大学，其后在伯明翰大学、康奈尔大学等地做过博士后。1974年就职于伯明翰大学，历任讲师、副教授，1982年任布朗大学教授。Kosterlitz 的研究方向主要是凝聚态理论，一维/二维物理，其中相变领域包括：随即体系、电子局域化、自旋玻璃态等；临界动力学包括：融化、凝固。在得到诺贝尔奖之前Kosterlitz还得过许多奖项：1981年，英国物理学会授予其麦克斯韦奖（Maxwell Medal and Prize），2000年，美国物理学会就其Kosterlitz-Thouless相变理论的成就授予其昂萨格奖（Lars Onsager Prize）1993年，Kosterlitz成为美国物理学会会员。Frederick Duncan Michael Haldane 出生于1951年9月14日，他是普林斯顿大学的尤金·希金斯教授。他对于凝聚态物理有许多基础性的贡献，比较知名的研究包括卢京格尔液体（Luttinger liquid），描述一维自旋链的理论，分数量子霍尔效应理论等等。他获得过诸多奖项和荣誉，包括：英国皇家学会会员，美国物理学会会士，狄拉克奖章等。综合：自媒体“蝌蚪五线谱”前期预测：除了引力波，另外一个有望获得今年诺贝尔为物理学奖的「种子选手」就是开创了拓扑绝缘体领域的Charles Kane、 Laurens W. Molenkamp和张首晟。相信听到「拓扑绝缘体」这个词，绝大部分人都是懵逼的。以前我们认为，物体只有「导体」和「绝缘体」之分，然而「拓扑绝缘体」是「第三类物质」——内部绝缘，表面能导电。这东西有什么用吗？当然！它能给计算机领域带来革命性的进步！人类的计算机技术已经到达发展瓶颈。电脑发烫都体会过有多烦吧？如果从经典热力学的观点来看，由于封闭系统中的运动总是从有序到无序，因此电路中电子的有序运动最终才会转换成无规则的热运动耗散掉。正是这种散热导致著名的「摩尔定律」即将终结。刚好，「拓扑绝缘体」的表面导电现象是无损耗的。如果能加以利用，将给计算机领域带来质的飞跃。