三人分享諾貝爾物理學獎：拓撲，人類未來定會因它改變

北京時間10月4日傍晚，2016年度諾貝爾物理學獎揭曉。今年的諾貝爾物理學獎獎金，一半授予美國華盛頓大學的大衛·蘇奧雷斯，另一半授予美國普林斯頓大學的鄧肯·霍爾丹以及布朗大學的邁克爾·科斯特利茲，以表彰他們「在拓撲相變以及拓撲材料方面的理論發現」。復旦大學物理系教授、博士生導師施郁解讀說，這一研究成果對於材料學、信息科學技術研究乃至拓撲量子計算具有劃時代的意義，拓撲材料的理論發現為後來拓撲材料的出現奠定了基礎，揭開了人類科技的新篇章。

「拓撲相變」是什麼？什麼又是「拓撲材料」？施郁教授介紹，其實拓撲一詞源於數學，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。後來，科學家將拓撲的概念運用於物理研究，簡單打個比方，比如某個拓撲材料的細節發生了細小的變化，但是其性質、功能依然保持，這就是物理學中的拓撲物態理論。

施郁表示，今年的三位獲獎人的研究對於物理學中拓撲物態理論發揮了關鍵性作用。在1970年代早期，邁克·科斯特利茨和大衛·蘇奧雷斯推翻了當時的一項主流觀點，即認為超導或超流體無法在薄層中實現。他們證明了基於拓撲相變的超導性能夠在低溫條件下實現，並解釋了其背後的原理，以及為何在高溫下超導性會消失的原因。在1980年代，大衛·蘇奧雷斯等人還在理論上研究了量子霍爾效應。那是在兩個半導體之間的一個非常薄的電導層材料的電導正比於一個整數。他們證明了這些整數在本質上是具備拓撲性質的。大約在同一時期，鄧肯·霍爾丹發現了拓撲理論如何可以被應用於在某些材料中發現的一維磁體的性質。後來又提出了一個模型，其中拓撲概念很重要。

施郁指出，現在我們知道了很多拓撲相，不僅是在層狀材料或是線狀材料，也包括常規的三維材料，均得益於三位科學家的發現。在過去的數十年間，這一領域一直是凝聚態物理研究的前沿，因為拓撲材料未來將可能在新一代電子與超導體研究，或是在量子計算機研究中發揮作用。

本屆諾貝爾物理學獎授予「在拓撲相變以及拓撲材料方面的理論發現」，是非常基礎性的研究。據施郁介紹，在此基礎上，拓撲材料的研究已成為物理學、材料學的熱點領域，其中最有代表的就是包括美國華裔科學家、斯坦福大學物理系教授張首晟等人研究的所謂「拓撲絕緣體」。張首晟1963年出生於上海，曾被譽為「神童」——初中畢業就考上復旦大學，近年來一直被視作諾獎熱門人選（詳見本報2014年10月15日報道《上海成長的張首晟距諾獎一步之遙》）。

眾所周知，由於無法解決電子晶元不斷變小帶來的熱冷卻問題，IT行業已經無法按照摩爾定律所指出的，繼續延續長達幾十年的高速發展，正在遭遇前所未有的重大關卡。而拓撲絕緣體材料——這一能夠有效解決計算機晶元散熱問題的方法，成為突破當今全球IT業發展瓶頸的福音（詳見本頻道今年9月20日推送《拓撲絕緣體或將「拯救」摩爾定律》）。施郁解釋說，拓撲絕緣體很特殊，簡單來講，就是它的內部是絕緣的，表面是導電的，而且這一非常奇妙的現象是自己產生的。如果跟外面大氣反應之後，即使上面一層消失，下面還會有導電層，從某種程度上說是永不消失的「鍍金」。拓撲絕緣體在信息產業中將會得到非常重要的應用，它正在從科學轉變為技術。「毫無疑問，拓撲材料將影響到人類今後的發展，此次獲得諾貝爾獎的三位科學家是基礎理論的早期奠基者。」

新民晚報記者 張炯強 東方IC 圖

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