北京時間10月4日下午5點45分，2016年諾貝爾物理學獎揭曉，戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹、邁克爾·科斯特利茨三位英美科學家獲獎，獲獎理由是“拓撲相變和拓撲相物質的理論發現”。
盡管三位獲獎者表示“有點暈”、“努力接受”，但物理學界認為他們“實至名歸”，他們利用先進的數學方法研究了物質的一些特殊相或狀態，由于他們的開創性工作，材料科學和電子學的未來應用前景充滿希望。
發現新的物質形態
在諾貝爾獎揭曉之前，復旦大學物理系教授施宇在其博客上預測，該獎可能授予拓撲學領域的研究。
“不出所料，這次獲獎的研究是關于拓撲相變和拓撲相材料的研究。”施宇在接受《中國科學報》采訪時說，“拓撲學是數學的一個分支，但今年獲獎的研究是關于一些物理性質的。”
拓撲學描述的是物體在拉伸、扭曲或變形時不會發生任何變化的屬性，而不會被撕裂。拓撲學的目標是使用孔的數量等基本特征來描述形狀和結構。因此，從拓撲學的角度來說，杯子和百吉餅是一樣的，因為它們都只有一個開口，而椒鹽卷餅則不同中國現有幾個物理學家網校頭條，因為它有兩個開口。
“這三人最重要的貢獻，就是把拓撲學的概念運用到了物理學中。”中國科學院物理研究所所長王玉鵬在接受《中國科學報》記者采訪時說。
20世紀70年代初，邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯推翻了超導和超流體無法在薄層中發生的理論，證明了超導可以在低溫下發生，并解釋了超導在高溫下發生的機制——相變。
20 世紀 80 年代后期，大衛·索利斯 (David ) 成功解釋了之前的一項實驗，該實驗中超薄導電層的電導率可以精確到整數。他表明這些整數本質上是拓撲的。與此同時，鄧肯·霍爾丹 ( ) 發現拓撲可用于了解某些材料中小磁體鏈的性質。
由于大衛·索利斯參與了這兩個項目，因此他獲得了一半的獎金，而鄧肯·哈爾丹和邁克爾·科斯特利茨分享了另一半。
“他們發現了一種新的物質形態——拓撲態。普通人能看到的物質狀態有三種：氣態、液態、固態。更深層次上，物質狀態有很多種分類。”王宇鵬解釋道，“比如電子導電時是流動的，所以從物理角度上可以認為是液體。”
推動凝聚態物理的發展
今年的諾貝爾物理學獎得主打開了一扇通往未知世界的大門，他們的發現為人們從理論上破解物質的奧秘帶來了突破，也為培育新材料開辟了新視角。
“他們三人做了開創性的工作。”王宇鵬說，“拓撲絕緣體、熱電子半金屬，以及近年來很火的量子反常霍爾效應，都是物質的拓撲態。”
已知的拓撲相有很多，它們不僅存在于薄層和線中，也存在于普通的三維材料中。近十幾年來，該領域的研究推動了凝聚態物理研究的前沿發展。人們不僅希望拓撲材料能應用于新一代電子器件和超導體，而且還希望它能應用于未來的量子計算機。
“在新材料、量子計算、信息科學等方面已經有很多應用。”石宇告訴記者，量子是一種非常敏感、容易受到影響的物質，如果與拓撲物質結合起來，就會獲得非常穩定的狀態，這對研究有很大幫助。
量子霍爾效應曾兩次獲得諾貝爾物理學獎：1980年，德國科學家馮·克利青發現“整數量子霍爾效應”，并于1985年獲得諾貝爾物理學獎；1982年，美籍華裔物理學家崔西凱和美國物理學家施泰默發現“分數量子霍爾效應”，不久后被美國物理學家勞克林解釋。三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。
“此次三位獲獎者的工作是對整個拓撲材料狀態的深刻理解，而不僅限于量子霍爾效應，”王宇鵬說，“真正得到了物理學家的認可中國現有幾個物理學家，并在物質世界中得以實現。”
時至今日，許多研究人員仍在慢慢揭開今年三位獲獎者發現的這個奇異世界中物質的秘密。
中國拓撲材料研究實力
從1973年到現在，已經進行了近40年的研究，特別是近年來，拓撲相關的研究非常火爆。之前為什么沒有獲獎呢？中科院物理研究所研究員曹澤先在接受《中國科學報》記者采訪時表示，這項工作意義重大，但之前只是理論研究。近年來真空技術和材料研究趕上來之后，人們才能夠找到具有拓撲性質的東西，這又證明了之前研究的偉大。
“我們國家從上世紀七八十年代就開始進行基礎理論研究，后來對拓撲絕緣體熱潮做出了非常重要的貢獻。”王玉鵬說。
2010年，中科院物理所方忠、戴曦團隊與張首盛教授等合作，在理論和材料設計上取得突破，提出Cr或Fe磁性離子摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體是實現量子反常霍爾效應的最佳體系。2013年，中科院物理所何克、呂莉、馬旭存、王莉莉、方忠、戴曦等團隊與清華大學物理系薛其坤、張首盛、王亞宇、陳曦、賈金峰等團隊合作攻關，終于在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中成功觀測到量子反常霍爾效應。
理論上預言量子反常霍爾效應的人是今年的諾貝爾獎獲得者之一鄧肯·霍爾丹。1988年，他提出可能存在一種不需要外界磁場的量子霍爾效應，但多年來他一直沒能找到一種材料體系或具體的物理方法來實現這種特殊的量子效應。
此外，中國科學家預言了三維拓撲絕緣體并很快在實驗上發現，進而推動了世界范圍內拓撲絕緣體的研究熱潮；首次預言并觀測到外爾費米子；量子計算機的研究取得進展……這些都是中國在拓撲物質態研究方面的優勢。
“過去七八年，中國在拓撲物態研究方面在國際上做出了令人矚目的貢獻。”王玉鵬說。
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