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，三位英美科學家大衛(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)現拓撲相變和拓撲相物質”。

盡管三位獲獎者對于獲獎表示“有點暈”“試著接受它”，但在物理學界看來，他們是“實至名歸”。他們利用高等數學方法研究了物質的一些特殊相或狀態(tài)，更因為他們奠基性的工作，材料科學和電子學的未來應用前景充滿希望。

發(fā)現新的物質形態(tài)

此次諾獎頒布之前，復旦大學物理系教授施郁就在科學網博客做了預測，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的研究。”施郁接受《中國科學報》記者采訪時說，“拓撲本是數學分支，但今年獲獎的研究是某種物理性質。”

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。拓撲學的目標是通過一些基本特征如坑洞的數量，來描述形狀和結構。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上。”中科院物理所所長王玉鵬接受《中國科學報》記者采訪時說。

在上世紀70年代早期，當時的理論認為超導現象和超流體現象不可能在薄層中產生，而邁克爾·科斯特利茨和大衛(wèi)·索利斯推翻了這一理論。他們證明了超導現象能夠在低溫下產生，并闡釋了超導現象在較高溫度下也能產生的機制——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，即超薄導電層中的電導系數可被精確測量到整數。他證明了這些整數在自然屬性中處于拓撲狀態(tài)。同時，鄧肯·霍爾丹發(fā)現，可以用拓撲學來理解某些材料中的小磁體鏈的性質。

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)現了新的物質形態(tài)——拓撲物質態(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態(tài)的分類。”王玉鵬解釋說，“比如說電子，導電的時候是流動的，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

今年諾獎物理學獎得主打開了一扇通往未知世界的大門，他們的發(fā)現帶來了對物質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。

“他們三人做出了奠基性工作。”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?，都是拓撲物質態(tài)。”

現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體中產生應用抱有希望，而且看好其在未來量子計算機方面的應用。

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

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

“這次三位獲獎者的工作是對整個拓撲物質態(tài)的深刻的理解，不僅限于量子霍爾效應。”王玉鵬說，“真正由物理學家認識到，并且將其在物質世界里實現。”

如今，許多研究人員仍在慢慢揭開奇異世界里物質的秘密，而這個奇異世界，是由今年的三位獲獎者發(fā)現的。

拓撲物態(tài)研究中的中國力量

從1973年到現在接近40年的研究，尤其這些年與拓撲相關的研究特別熱。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、材料研究等跟上后，人們可以找到具有拓撲性質的東西，反過來證明了前面研究的偉大。

“我們國家在基礎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、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，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量子反?；魻栃淖罴洋w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，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常霍爾效應。

而對量子反?；魻栃獜睦碚撋献龀龅念A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，但是多年來一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。

除此之外，我國科學家預言了三維拓撲絕緣體并很快在實驗上發(fā)現，進而推動了整個國際上拓撲絕緣體的研究熱潮；首先預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，中國關于拓撲物質態(tài)的研究在國際上作出了舉世矚目的貢獻。”王玉鵬說。（來源：科學網）