您的位置:首页>物理学奖
为凝聚态物理学界引入全新概念
三位美国学者分享诺贝尔物理学奖,他们于上世纪七八十年代的研究成果
发布时间:2016-10-05 来源:文汇报 姜澎 【字号:  

  10月4日在瑞典斯德哥尔摩拍摄的、获得2016年诺贝尔物理学奖的三位科学家(从左至右)戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨的照片。新华社/路透

  10月4日,三位美国学者分享了2016年诺贝尔物理学奖。奖金的一半,颁给了华盛顿大学 (西雅图) 的戴维·索利斯 (David Thouless),另外一半由普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹 (Duncan Haldane) 以及布朗大学的迈克尔·科斯特利茨 ( Michael Kosterlitz) 分享,以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。

  获奖成果之一的拓扑相变,正是出自40多年前戴维·索利斯指导自己的博士生迈克尔·科斯特利茨完成的博士论文。而邓肯·霍尔丹的相关工作,完成于上世纪80年代前后,他完美地用拓扑概念理解一维自旋链的磁学效应,为理解量子霍尔效应和拓扑相变拓展了新的方向。

  三位学者开拓了物理学理论的全新领域

  这三位学者的工作,都是在上世纪七八十年代完成的。中科院院士、复旦大学物理系教授陶瑞宝在接受记者采访时说,正是他们,开创了凝聚态物理领域全新的相变研究领域。

  所谓相变,即物质不同有序相(如固体、液体、气体) 之间的转变,例如冰融化成水就发生了固液相变。据介绍,在上世纪70年代前,当时的物理学研究领域只有朗道相变理论,这一理论可以完美解释固液相变等现象,被认为是最好的相变理论。但朗道相变只能解释三维尺度的相变,无法解释二维尺度上的相变。因此当时的科学家们对于是否有二维尺度的相变,都持怀疑态度。

  同为凝聚态物理研究领域的中科院院士、复旦大学物理系教授孙鑫解释,当时的科学家认为,当物质处于二维状态时,分子的随机运动是处于无序之中,所以是没有相变的。

  20世纪70年代,索利斯和科斯特利茨发现,在二维状态下,只要温度足够低,物质的分子运动也会出现相变,这样的相变被称为“拓扑相变”。在当时的理论物理学界完全不看好的情况下,索利斯指导科斯特利茨完成了二维尺度上的拓扑相变理论的博士论文。

  “这也是著名的K-T相变。”孙鑫称,如今在物理学界提起K-T相变几乎无人不知。这一研究成果颠覆了以往的理论,提出超导和超流性质的新模型,并解释了超导态可以在低温下出现而在温度升高时消失这一转变(相变)的机制。

  20世纪80年代,索利斯在理论上

  解释了超薄层材料导电性呈整数式阶跃的特征,表明这些整数代表着材料的拓扑性质。随后,差不多在同一时间,理论物理学家、普林斯顿大学物理学系教授霍尔丹发现了拓扑概念可以用来理解一维自旋链 (一种一维线性材料) 的磁学特性。这一成果为凝聚态物理理论做出基础性贡献,包括分数量子霍尔效应。这些研究成果在凝聚态物理学界引入了全新的概念,使得物理学界对于材料的研究进入到二维尺度。

  近年科学发展使拓扑相变理论得到更多支持

  “之所以会在40年后才颁发诺贝尔奖给他们,是因为近年来实验物理的发展,符合拓扑相变的材料越来越多,有很多有现实意义的凝聚态材料只有用拓扑相变理论才能理解。”孙鑫告诉记者,虽然这一拓扑相变是一个纯粹的物理理论,但是却拓展了我们对于自然界的认识。

  几年前,曾经就有不少学者预测过索利斯教授作为凝聚态物理研究领域的开创者,应该可以得诺奖。因为这个40多年前的科研成果,说明了基础研究的前沿和开创性的重要性。

  拓扑(Topology)原本是一个数学概念,描述的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。这三位诺贝尔物理学奖得主采用先进的数学方法研究了物质的奇异状态,如超导体、超流体或磁性薄膜等,他们的先驱性工作为搜寻物质的奇异新状态奠定了基础,使得我们有可能在未来的材料科学和电子学中找到用武之地。

  北大物理学院教授吴飙称,这次获奖者的工作非常具有原创性,凝聚态里著名的TKNN公式的“T”就是Thouless (索利斯)。索利斯得奖实至名归,他开创了凝聚态拓扑方向的研究,后来很多该领域的出色工作几乎都可追根溯源至索利斯。

  拓扑材料研究的中国力量发展快速

  对拓扑材料的研究,不仅能帮助我们更深入地了解物质的奇异结构和状态,也为电子学和超导体领域带来了新的应用,而这一切,都归功于今年这三位诺贝尔物理学奖得主的研究。据陶瑞宝院士介绍,到现在,物理学家已经发现了多种多样的拓扑相,不仅存在于薄层和线状结构中,也存在于普通的三维材料中。在过去的10年里,这一领域研究成果增长迅速,成了凝聚态物理学中的一个热门研究方向。

  斯坦福大学的华裔科学家张首晟,就因为对二维拓扑绝缘体材料的研究,在2014年获得汤森路透引文桂冠奖,被预言有望获得诺贝尔奖。清华大学薛其坤院士的课题组因为量子霍尔反常效应的研究,被认为在拓扑材料研究领域有了重大突破。中科院物理所的方忠和戴希的研究团队,也都在拓扑相变的相关研究领域取得巨大进展,复旦大学、南京大学、上海交通大学等高校都有团队在研究拓扑材料。

  几乎所有的这些团队,都是拓扑物态研究中的中国力量。

(责任编辑:侯茜)
关闭页面
© 1996 - 2016 中国科学院 版权所有 京ICP备05002857号 京公网安备110402500047号 联系我们 地址:北京市三里河路52号 邮编:100864
彩88官网-彩88主页