科普：「拓撲相變和拓撲相物質」是啥？

David J. Thouless

F.DuncanM. Haldane

J. Michael Kosterlitz

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David J. Thouless， F. Duncan M. Haldane，J. Michael Kosterlitz獲獎。獲獎理由是「理論發現拓撲相變和拓撲相物質」。其中，David J. Thouless獨享一半獎金，F. Duncan M. Haldane與J. Michael Kosterlitz分享另一半獎金。

David J. Thouless,1934年出生於英國貝爾斯登，1958年從美國康奈爾大學獲得博士學位。目前為美國華盛頓大學榮譽退休教授。

F. Duncan M. Haldane，1951年出生於英國倫敦，1978年從英國劍橋大學獲得博士學位。目前為美國普林斯頓大學物理學教授。

J. Michael Kosterlitz，1942年出生於英國阿伯丁，1969年從英國牛津大學獲得博士學位。目前為美國布朗大學物理學教授。

他們揭示了奇異物質的秘密

獲獎者打開了一個未知的世界，物質可以以一種奇怪的狀態存在，他們利用先進的數學方法來研究不同尋常物質狀態，如超導體、超流體或磁膜等。由於他們的開創性工作，許多人希望未來這種研究將會對材料學和電子學產生革命性影響。感謝他們出色的工作，如今，人類對物質的新奇相態的研究正在展開，材料科學和電子學的未來應用前景充滿希望。

拓撲是數學的一個分支，它描述物質逐步改變的屬性。

決定性的發現是三位獲獎者使用了物理拓撲的概念，給他們後來的發現起到了決定性作用。

拓撲學(topology)是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的學科。它只考慮物體間的位置關係而不考慮它們的形狀和大小。拓撲英文名是Topology，直譯是地誌學，最早指研究地形、地貌相類似的有關學科。幾何拓撲學是十九世紀形成的一門數學分支，它屬於幾何學的範疇。有關拓撲學的一些內容早在十八世紀就出現了。那時候發現一些孤立的問題，後來在拓撲學的形成中占著重要的地位。

三位科學家採用拓撲學作為研究工具，這一舉動在當時讓同行感到吃驚。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Michael Kosterlitz 和David Thouless推翻了這一理論。他們證明了超導現象能夠在低溫下產生，並闡釋了超導現象在較高溫度下也能產生的機制——相變。

諾貝爾委員會官員發布會現場用麵包圈解釋拓撲

後來到了80年代，Thouless成功地解釋了之前的一個實驗，即超薄導電層中的電導係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於拓撲狀態。同時，DuncanHaldane發現，可以用拓撲學來理解某些材料中的小磁體鏈的性質。

現在，我們已經知道拓撲相有很多種，它們不僅存在於薄層和線狀物，還存在於普通的三維材料中。過去十年里，這一領域的研究促進了凝聚態物理研究的前沿發展，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。此刻，許多研究人員仍在慢慢揭開奇異世界裡物質的秘密，而這個奇異世界，是由今年的三位獲獎者發現的。

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