北京時(shí)間10月4日下午5點(diǎn)45分，2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(xué)家獲獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是“拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎辔镔|(zhì)的理論發(fā)現(xiàn)”。
盡管三位獲獎(jiǎng)?wù)弑硎尽坝悬c(diǎn)暈”、“努力接受”，但物理學(xué)界認(rèn)為他們“實(shí)至名歸”，他們利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法研究了物質(zhì)的一些特殊相或狀態(tài)，由于他們的開創(chuàng)性工作，材料科學(xué)和電子學(xué)的未來(lái)應(yīng)用前景充滿希望。
發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)形態(tài)
在諾貝爾獎(jiǎng)揭曉之前，復(fù)旦大學(xué)物理系教授施宇在其博客上預(yù)測(cè)，該獎(jiǎng)可能授予拓?fù)鋵W(xué)領(lǐng)域的研究。
“不出所料，這次獲獎(jiǎng)的研究是關(guān)于拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎嗖牧系难芯俊！笔┯钤诮邮堋吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)，“拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，但今年獲獎(jiǎng)的研究是關(guān)于一些物理性質(zhì)的。”
拓?fù)鋵W(xué)描述的是物體在拉伸、扭曲或變形時(shí)不會(huì)發(fā)生任何變化的屬性，而不會(huì)被撕裂。拓?fù)鋵W(xué)的目標(biāo)是使用孔的數(shù)量等基本特征來(lái)描述形狀和結(jié)構(gòu)。因此，從拓?fù)鋵W(xué)的角度來(lái)說(shuō)，杯子和百吉餅是一樣的，因?yàn)樗鼈兌贾挥幸粋€(gè)開口，而椒鹽卷餅則不同中國(guó)現(xiàn)有幾個(gè)物理學(xué)家網(wǎng)校頭條，因?yàn)樗袃蓚€(gè)開口。
“這三人最重要的貢獻(xiàn)，就是把拓?fù)鋵W(xué)的概念運(yùn)用到了物理學(xué)中。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所所長(zhǎng)王玉鵬在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)說(shuō)。
20世紀(jì)70年代初，邁克爾·科斯特利茨和戴維·索利斯推翻了超導(dǎo)和超流體無(wú)法在薄層中發(fā)生的理論，證明了超導(dǎo)可以在低溫下發(fā)生，并解釋了超導(dǎo)在高溫下發(fā)生的機(jī)制——相變。
20 世紀(jì) 80 年代后期，大衛(wèi)·索利斯 (David ) 成功解釋了之前的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)中超薄導(dǎo)電層的電導(dǎo)率可以精確到整數(shù)。他表明這些整數(shù)本質(zhì)上是拓?fù)涞摹Ｅc此同時(shí)，鄧肯·霍爾丹 ( ) 發(fā)現(xiàn)拓?fù)淇捎糜诹私饽承┎牧现行〈朋w鏈的性質(zhì)。
由于大衛(wèi)·索利斯參與了這兩個(gè)項(xiàng)目，因此他獲得了一半的獎(jiǎng)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(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)形態(tài)——拓?fù)鋺B(tài)。普通人能看到的物質(zhì)狀態(tài)有三種：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。更深層次上，物質(zhì)狀態(tài)有很多種分類。”王宇鵬解釋道，“比如電子導(dǎo)電時(shí)是流動(dòng)的，所以從物理角度上可以認(rèn)為是液體。”
推動(dòng)凝聚態(tài)物理的發(fā)展
今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主打開了一扇通往未知世界的大門，他們的發(fā)現(xiàn)為人們從理論上破解物質(zhì)的奧秘帶來(lái)了突破，也為培育新材料開辟了新視角。
“他們?nèi)俗隽碎_創(chuàng)性的工作。”王宇鵬說(shuō)，“拓?fù)浣^緣體、熱電子半金屬，以及近年來(lái)很火的量子反常霍爾效應(yīng)，都是物質(zhì)的拓?fù)鋺B(tài)。”
已知的拓?fù)湎嘤泻芏啵鼈儾粌H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(lái)，該領(lǐng)域的研究推動(dòng)了凝聚態(tài)物理研究的前沿發(fā)展。人們不僅希望拓?fù)洳牧夏軕?yīng)用于新一代電子器件和超導(dǎo)體，而且還希望它能應(yīng)用于未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)。
“在新材料、量子計(jì)算、信息科學(xué)等方面已經(jīng)有很多應(yīng)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(zhì)，如果與拓?fù)湮镔|(zhì)結(jié)合起來(lái)，就會(huì)獲得非常穩(wěn)定的狀態(tài)，這對(duì)研究有很大幫助。
量子霍爾效應(yīng)曾兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，并于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔西凱和美國(guó)物理學(xué)家施泰默發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，不久后被美國(guó)物理學(xué)家勞克林解釋。三人共同獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
“此次三位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ魇菍?duì)整個(gè)拓?fù)洳牧蠣顟B(tài)的深刻理解，而不僅限于量子霍爾效應(yīng)，”王宇鵬說(shuō)，“真正得到了物理學(xué)家的認(rèn)可中國(guó)現(xiàn)有幾個(gè)物理學(xué)家，并在物質(zhì)世界中得以實(shí)現(xiàn)。”
時(shí)至今日，許多研究人員仍在慢慢揭開今年三位獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)現(xiàn)的這個(gè)奇異世界中物質(zhì)的秘密。
中國(guó)拓?fù)洳牧涎芯繉?shí)力
從1973年到現(xiàn)在，已經(jīng)進(jìn)行了近40年的研究，特別是近年來(lái)，拓?fù)湎嚓P(guān)的研究非常火爆。之前為什么沒(méi)有獲獎(jiǎng)呢？中科院物理研究所研究員曹澤先在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，這項(xiàng)工作意義重大，但之前只是理論研究。近年來(lái)真空技術(shù)和材料研究趕上來(lái)之后，人們才能夠找到具有拓?fù)湫再|(zhì)的東西，這又證明了之前研究的偉大。
“我們國(guó)家從上世紀(jì)七八十年代就開始進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究，后來(lái)對(duì)拓?fù)浣^緣體熱潮做出了非常重要的貢獻(xiàn)。”王玉鵬說(shuō)。
2010年，中科院物理所方忠、戴曦團(tuán)隊(duì)與張首盛教授等合作，在理論和材料設(shè)計(jì)上取得突破，提出Cr或Fe磁性離子摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體是實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)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(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)物理系薛其坤、張首盛、王亞宇、陳曦、賈金峰等團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)，終于在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜中成功觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)。
理論上預(yù)言量子反常霍爾效應(yīng)的人是今年的諾貝爾獎(jiǎng)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(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，但多年來(lái)他一直沒(méi)能找到一種材料體系或具體的物理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種特殊的量子效應(yīng)。
此外，中國(guó)科學(xué)家預(yù)言了三維拓?fù)浣^緣體并很快在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而推動(dòng)了世界范圍內(nèi)拓?fù)浣^緣體的研究熱潮；首次預(yù)言并觀測(cè)到外爾費(fèi)米子；量子計(jì)算機(jī)的研究取得進(jìn)展……這些都是中國(guó)在拓?fù)湮镔|(zhì)態(tài)研究方面的優(yōu)勢(shì)。
“過(guò)去七八年，中國(guó)在拓?fù)湮飸B(tài)研究方面在國(guó)際上做出了令人矚目的貢獻(xiàn)。”王玉鵬說(shuō)。
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