http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2016-10-05
2016年诺贝尔物理学奖揭晓
David J. Thouless
F. Duncan M. Haldane
J. Michael Kosterlitz
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David J. Thouless， F. Duncan M. Haldane，J. Michael Kosterlitz获奖。获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。其中，David J. Thouless独享一半奖金，F. Duncan M. Haldane与J. Michael Kosterlitz分享另一半奖金。
David J. Thouless,1934年出生于英国贝尔斯登，1958年从美国康奈尔大学获得博士学位。目前为美国华盛顿大学荣誉退休教授。
F. Duncan M. Haldane，1951年出生于英国伦敦，1978年从英国剑桥大学获得博士学位。目前为美国普林斯顿大学物理学教授。
J. Michael Kosterlitz，1942年出生于英国阿伯丁，1969年从英国牛津大学获得博士学位。目前为美国布朗大学物理学教授。
他们揭示了奇异物质的秘密
今年的获奖者打开了一扇通往未知世界的大门，在那里，物质可以呈现出奇怪的状态。他们利用高等数学方法研究了物质的一些特殊相或状态，比如超导体、超流体和磁性薄膜等。感谢他们出色的工作，如今，人类对物质的新奇相态的研究正在展开，材料科学和电子学的未来应用前景充满希望。
这三位科学家大胆地将拓扑学概念应用到物理学，给他们后来的发现起到了决定性作用。拓扑学是数学的一个分支，通常用来描述一些逐步变化的性质。三位科学家采用拓扑学作为研究工具，这一举动在当时让同行感到吃惊。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Michael Kosterlitz 和David Thouless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，Thouless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，Duncan Haldane发现，可以用拓扑学来理解某些材料中的小磁体链的性质。
现在，我们已经知道拓扑相有很多种，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。此刻，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。
[科学网]
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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。
发现新的物质形态
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。”中科院物理所所长王玉鹏接受《中国科学报》记者采访时说。
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。”
促进凝聚态物理发展
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。
拓扑物态研究中的中国力量
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？中科院物理所研究员曹则贤接受《中国科学报》记者采访时说，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，中科院物理所方忠、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，中科院物理所何珂、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。
【科学网】
2016年诺贝尔物理学奖：姗姗来迟，实至名归
施 郁（复旦大学物理学系）
2016年诺贝尔物理学奖授予了David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J. Michael Kosterlitz，以表彰他们在拓扑相变和物质的拓扑相方面的发现（for theoretical discoveries of topologicalphase transitions and topological phases of matter）。这三位科学家是凝聚态拓扑物态研究的先驱和开创者，他们在拓扑物态的早期开创性工作，打下了这个方向的基础。
这三位获奖者都是英裔，在英国受教育，都是剑桥大学校友（诺奖校友最多的剑桥大学一下子又多了3个诺奖校友）。Thouless本科剑桥大学，是康奈尔大学Hans Bethe的学生，最初从事核多体研究，后来转向凝聚态物理。Kosterlitz本科剑桥大学，在牛津大学获博士学位。Haldane本科和博士学位都是剑桥大学的，导师是当时在剑桥兼职的Phil Anderson。
通常有限温度的连续相变在两维情况下是没有的，但是Thouless和Kosterlitz（当时在英国伯明翰大学）发现在二维可以通过涡旋（即所谓的拓扑缺陷，由拓扑旋绕数表征）发生一种拓扑相变，两点关联可以随距离作幂律衰减，而非指数衰减。这个理论后来首先得到Reppy等人的超流薄膜实验的检验，后来又在超导薄膜中得到验证，近年来又用冷原子得以实现。
Thouless后来离开伯明翰到美国华盛顿大学工作。在那里，他与合作者（被称作TKNN）提出量子霍尔电导的量子化起源于拓扑，量子化的整数是陈省身数。后来Thouless还与当时的学生牛谦以及当时在该系高能物理组的吴咏时给出了另一种适用于有杂质情形的推导。吴老师曾告诉我，他们合作起来的一个原因是他当时与牛谦的办公室靠近。
Haldane研究了一维磁体（自旋链）的拓扑性质，指出整数与非整数自旋完全不一样，前者有能隙（所谓的Haldane相），而后者没有。这首先在磁性材料CsNiCl3中得到验证。Haldane后来还做了拓扑绝缘体的前期工作，研究了一个纯理论模型，该模型里的一部分物理后来在拓扑绝缘体中反映出来。Haldane在这里的突破性思想在于发现量子霍尔效应中的磁场不是必须的。而这所谓反常量子霍尔效应最近被薛其坤组用拓扑绝缘体验证，另外Haldane最初的模型也用光晶格中的冷原子直接模拟出来。
现在人们认识到，Haldane相、整数量子霍尔效应态和拓扑绝缘体都属于对称性保护的拓扑态。这与分数量子霍尔效应和自旋液体不一样。二者可以用量子纠缠的不同情况区分开来。目前，国际上拓扑物态研究方兴未艾，一个领头人是文小刚。他在与牛谦合作的一篇文章中首次提出拓扑序的概念。拓扑序后来成为拓扑量子计算的基础。
Thouless是英国剑桥人，经常访问剑桥大学。我在剑桥工作的时候曾经和他进行过一次比较深入的讨论（关于某个拓扑输运问题），后来他回美国后还发邮件告诉我，他在飞机上对我的问题一路上思考了很多。
这些获奖工作属于我前段时间预测的今年的颁奖方向（链接）。这三位科学家是拓扑绝缘体研究方向向前追溯的先驱。我当时预测时没有追溯前期工作，没先给他们“颁”个奖。我以前预测过Thouless和Kosterlitz获得诺贝尔奖。但今年他没有在我的预测榜单（Kane，Molenkamp和张首晟）里面，因为如果说太多，就谈不上预测了。但也可以说，我的预测对了一半，方向确实是凝聚态里面的拓扑相。由于我的感觉Thouless等人的工作迟迟没有得奖，反而增加的获奖难度，所以今年没有预测他们获奖。
在诺贝尔物理奖宣布几十分钟之前，在果壳网科学人的直播中，我还说，今年给天体物理和粒子物理的可能性都很小，几乎不可能。这是因为去年获奖的中微子震荡，首先是粒子物理的贡献，其次跟天体物理也有密切的关系，因为解决了太阳中微子的问题。引力波是很大的成就，不可能今年获奖，还有另一个原因，即它是今年2月份才发表的。所以今年获奖的应该是天体物理和粒子物理之外的领域。我还提到，Berry相位是一个普遍的相位，不太具体，很难得奖。而提出Aharonov-Bohm相位的师生两位中的导师Bohm已去世。回答网友提问时，我还说，在凝聚态物理中，纳米碳管我觉得可能性很小，因为碳60和石墨烯都已经都得过奖了。
记得2005年一位院士告诉我他收到诺奖提名邀请时，我建议提名Thouless。2007年颁奖前我曾提到过Thouless和Kosterlitz可能得奖。结果是给了巨磁阻。不久后，10月31日至11月3日，在新加坡召开的庆祝杨振宁先生85寿辰学术研讨会上，Thouless作了个关于凝聚态中的拓扑量子数的综述报告。会议期间我还与Thouless聊到当年的诺贝尔奖，并预祝他未来得奖。今年的奖，对他来说，是姗姗来迟（long overdued）。
【科学网】
趣谈2016年诺贝尔物理学奖获得者的真功夫
文/胡江平
今年的诺贝尔物理学奖授予了三位理论物理学家，分别是美国华盛顿大学的David J. Thouless, 普林斯顿大学的F. Duncan M. Haldane 以及布朗大学的J. Michael Kosterlitz，以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。
拓扑是数学里面给几何空间分类和刻画不变量的一个重要分支。这个数学工具原来在物理里面用的很少，在目前本科物理最重要的基础课-四大力学里也鲜有提及。 然而最近十年，在凝聚态物理里面突然发现，很多材料可以用拓扑不变量来分类，并且材料的一些重要物性也和拓扑结构直接相关。虽然目前实际应用价值还不清楚，但其科学意义和一些独特物性已经非常清楚。这次的诺奖也就是在这样的背景下给了这领域里三位开拓者老前辈。
三位获奖人。左起：戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利兹
这三位前辈都是从事凝聚态理论物理研究的，他们在凝聚态物理理论模型中提炼出了拓扑的概念。这里面最有名的应该是David J. Thouless。他和J. Michael Kosterlitz 一起在一个简单的模型中指出拓扑相变的存在。普通的相变，象水的气态到液态是由水分子自身随温度的热涨落引起的。拓扑相变却是由粒子集体的拓扑激发随温度的热涨落引起的。拓扑激发是非局域的，和简单的粒子很不一样，这使得拓扑激发行为随温度的变化不能被传统凝聚态相变理论-朗道理论描写。这个工作第一次超越了朗道理论框架，也第一次将拓扑引入了凝聚态多体系统。目前有一些实验现象被认为是这样的拓扑相变。不过说实在的，实验验证不重要，因为理论太完美了。
Thouless的第二个拓扑方面的重要工作是对量子霍尔效应的拓扑理解。这个工作把数学里拓扑不变量陈数(以华人著名数学家陈省身命名的)和物理上可测的霍尔电导联系起来。这个联系可以说是物理里量子力学和规范不变性基本原理一起作用的结晶。值得一提的是这个工作主要文章有他学生牛谦（Univ. Texas (Austin)教授）。牛谦后来在这发面做了很多很有影响的进一步工作。
F. Duncan M. Haldane这个人非常厉害，非常独立特行。我自己听过他几次报告，也接触过他不少东西。说些题外话，Haldane 做报告时爱在前排听众中选择一人，然后他的报告就象是对那一个人讲一样，所以听他报告我从来不敢去第一排，不小心被他选中会很尴尬。他在量子霍尔效应方面有很多牛工作。我甚至怀疑如果没有更独特的Robert Bette Laughlin(1998 物理诺贝尔奖)，很有可能是Haldane来给出量子霍尔效应的理论。据说当年Haldane只看了一眼Laughlin波函数的文章，就长叹一声：That is it.可见他当年有多接近解决这个问题。Haldane的数学推导非常厉害，有兴趣的可以去读读他刚出道时写的波色化文章。
Haldane最厉害的功夫是从数学模型中看出别人看不到的东西。 Haldane和拓扑有关两项重要工作都如此。第一个工作是他在一维量子自旋模型里看出整数自旋和半整数自旋模型完全不一样。前者用现在时髦的语言来说就是有非平庸拓扑序的。第二个工作是他问了自己一个问题：有没有可能不加外磁场实现量子化的霍尔效应？他用一个现在以他名字命名的理论模型给出了肯定的答案。在这个模型中，Haldane第一次指出只要在动量空间能带中存在非平庸的拓扑就可以实现量子化的霍尔效应，也就是说只要在固体能带里去看看没有非平庸的拓扑就行。不幸的是，他这个模型很难在实际材料中实现，因此在80年代提出后，没受太多关注。直到10年前大家发现，如果考虑一下电子有自旋，可以把由两种不同方向自旋的电子构成的Haldane模型巧妙的组合起来，很多材料就都可以由这样组合的模型描写。这类材料就是过去十年凝聚态物理研究热门-拓扑绝缘体。 在这个基础上现在已经进一步推广到拓扑半金属，拓扑超导体等一系列材料体系。
Haldane的前一个工作已经被文小刚（MIT教授）为首的学派进一步升华。他的后一个工作直接影响了张守晟（Stanford 大学教授，本人博士导师）为代表的拓扑材料理论和实验研究，我相信这次获奖让我们对拓扑绝缘体有了更多的期待。
在凝聚态拓扑研究领域，特别值得一提的是华人，包括国内和国外的，现在已经占据了举足轻重的地位。在国外多所大学和研究机构里，活跃着一批才华横溢的年轻一代华人。国内这发面的研究队伍也不输国外，以中科院物理所为代表的多家研究机构已经做出了多项有重大影响的原创工作，包括发现Weyl半金属，实现量子反常霍尔效应，探测Majarana 费米子等等。我相信这次诺奖也会帮助吸引更多的年轻人对这一领域开展更加深入的研究。
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