北京時間10月4日下午5點45分，2016年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉，三位英美科學(xué)家大衛(wèi)·索利斯、鄧肯·霍爾丹、邁克爾·科斯特利茨獲獎。獲獎理由是“理論發(fā)現(xiàn)拓撲相變和拓撲相物質(zhì)”。

盡管三位獲獎?wù)邔τ讷@獎表示“有點暈”“試著接受它”，但在物理學(xué)界看來，他們是“實至名歸”。他們利用高等數(shù)學(xué)方法研究了物質(zhì)的一些特殊相或狀態(tài)，更因為他們奠基性的工作，材料科學(xué)和電子學(xué)的未來應(yīng)用前景充滿希望。

發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)形態(tài)

此次諾獎頒布之前，復(fù)旦大學(xué)物理系教授施郁就在科學(xué)網(wǎng)博客做了預(yù)測，可能會是拓撲方向的研究獲獎。

“果不其然，這次獲獎的是拓撲相變和拓撲相物質(zhì)的研究。”施郁接受《中國科學(xué)報》記者采訪時說，“拓撲本是數(shù)學(xué)分支，但今年獲獎的研究是某種物理性質(zhì)。”

拓撲描述的是當一個物體在未被撕裂的條件下，被拉伸、扭曲或變形時保持不變的特性。拓撲學(xué)的目標是通過一些基本特征如坑洞的數(shù)量，來描述形狀和結(jié)構(gòu)。因此，從拓撲方面來說，一只馬克杯和一個硬面包圈是一樣的，因為它們都只有一個開口，而蝴蝶脆餅則不同，因為它有兩個開口。

“三個人最主要的貢獻就是把拓撲的概念用到了物理學(xué)上。”中科院物理所所長王玉鵬接受《中國科學(xué)報》記者采訪時說。

在上世紀70年代早期，當時的理論認為超導(dǎo)現(xiàn)象和超流體現(xiàn)象不可能在薄層中產(chǎn)生，而邁克爾·科斯特利茨和大衛(wèi)·索利斯推翻了這一理論。他們證明了超導(dǎo)現(xiàn)象能夠在低溫下產(chǎn)生，并闡釋了超導(dǎo)現(xiàn)象在較高溫度下也能產(chǎn)生的機制——相變。

后來到了80年代，大衛(wèi)·索利斯成功地解釋了之前的一個實驗，即超薄導(dǎo)電層中的電導(dǎo)系數(shù)可被精確測量到整數(shù)。他證明了這些整數(shù)在自然屬性中處于拓撲狀態(tài)。同時，鄧肯·霍爾丹發(fā)現(xiàn)，可以用拓撲學(xué)來理解某些材料中的小磁體鏈的性質(zhì)。

正因為大衛(wèi)·索利斯參與了兩項工作，所以獨享一半獎金，鄧肯·霍爾丹與邁克爾·科斯特利茨分享另一半獎金。

“他們發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)形態(tài)——拓撲物質(zhì)態(tài)。普通人能看到氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)這常見的三種物態(tài)，更深刻的層次有很多物質(zhì)態(tài)的分類。”王玉鵬解釋說，“比如說電子，導(dǎo)電的時候是流動的，從物理上就可以認為是液態(tài)的。”

促進凝聚態(tài)物理發(fā)展

今年諾獎物理學(xué)獎得主打開了一扇通往未知世界的大門，他們的發(fā)現(xiàn)帶來了對物質(zhì)奧秘理論理解方面的突破，并創(chuàng)建了培育新材料的新視角。

“他們?nèi)俗龀隽说旎怨ぷ鳌?rdquo;王玉鵬說，“最近幾年很熱的拓撲絕緣體、熱爾半金屬、量子反?；魻栃?yīng)，都是拓撲物質(zhì)態(tài)。”

現(xiàn)在已知的拓撲相有很多種，它們不僅存在于薄層和線狀物，還存在于普通的三維材料中。過去十年里，這一領(lǐng)域的研究促進了凝聚態(tài)物理研究的前沿發(fā)展，人們不僅僅對拓撲材料能夠在新一代電子器件和超導(dǎo)體中產(chǎn)生應(yīng)用抱有希望，而且看好其在未來量子計算機方面的應(yīng)用。

“新材料、量子計算和信息科學(xué)領(lǐng)域都已有較多的應(yīng)用。”施郁告訴記者，量子是一個很敏感、容易受影響的物質(zhì)，如果與拓撲相物質(zhì)結(jié)合，就會得到很穩(wěn)定的狀態(tài)，對研究會有很大的幫助。

量子霍爾效應(yīng)曾兩度摘得諾獎：1980年，德國科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎；1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦、美國物理學(xué)家施特默等發(fā)現(xiàn)了“分數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，不久由美國物理學(xué)家勞弗林給出理論解釋，三人分享了1998年諾貝爾物理學(xué)獎。

“這次三位獲獎?wù)叩墓ぷ魇菍φ麄€拓撲物質(zhì)態(tài)的深刻的理解，不僅限于量子霍爾效應(yīng)。”王玉鵬說，“真正由物理學(xué)家認識到，并且將其在物質(zhì)世界里實現(xiàn)。”

如今，許多研究人員仍在慢慢揭開奇異世界里物質(zhì)的秘密，而這個奇異世界，是由今年的三位獲獎?wù)甙l(fā)現(xiàn)的。

拓撲物態(tài)研究中的中國力量

從1973年到現(xiàn)在接近40年的研究，尤其這些年與拓撲相關(guān)的研究特別熱。為什么之前沒得獎？中科院物理所研究員曹則賢接受《中國科學(xué)報》記者采訪時說，這項工作的意義非常重大，但以前只是理論研究，這些年真空技術(shù)、材料研究等跟上后，人們可以找到具有拓撲性質(zhì)的東西，反過來證明了前面研究的偉大。

“我們國家在基礎(chǔ)性理論方面的研究從七八十年代就有了，后來在拓撲絕緣體這些熱潮中也作出了很重要的貢獻。”王玉鵬說。

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系；2013年，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關(guān)，最終成功地在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中觀測到了量子反?；魻栃?yīng)。

而對量子反?；魻栃?yīng)從理論上做出的預(yù)言的正是今年的諾獎得主之一——鄧肯·霍爾丹。1988年，他提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。

除此之外，我國科學(xué)家預(yù)言了三維拓撲絕緣體并很快在實驗上發(fā)現(xiàn)，進而推動了整個國際上拓撲絕緣體的研究熱潮；首先預(yù)言并觀測到了外爾費米子；量子計算機的研究取得進展……這些都是拓撲物態(tài)研究中的中國力量。

“最近七八年，中國關(guān)于拓撲物質(zhì)態(tài)的研究在國際上作出了舉世矚目的貢獻。”王玉鵬說。（來源：科學(xué)網(wǎng)）