拓撲量子物態理論獲諾獎名至實歸

三位獲獎人（左至右）：David James Thouless，F. Duncan M. Haldane，J. Michael Kosterlitz.

今天當地時間11時45分（北京時間17時45分），諾貝爾獎評選委員會宣布，將2016年諾貝爾物理學獎的一半獎金頒給美國華盛頓大學的David J. Thouless，另一半由美國普林斯頓大學的F. Duncan M. Haldane與布朗大學的J. Michael Kosterlitz共享，「因其拓撲相變和拓撲物態的理論發現」(for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter)。

據美國麻省理工學院格林講席教授、《賽先生》主編文小剛介紹，David J.Thouless、Duncan Haldane 和 Michael Kosterlitz 是理論凝聚態物理學家。他們都做出了非常有影響的工作，揭示了拓撲性質在量子物態和量子相變中的決定性影響。Thouless 和 Kosterlitz 的著名工作之一是關於二維超流體的相變。以前大家認為，超流體到正常流體的相變是超流體中的超流成分越來越少所造成的。但他們發現，超流體中的正反渦旋的產生才是決定相變的主要因素。這是拓撲缺陷導致量子相變的一個典型例子。Thouless做了很多關於拓撲缺陷的工作，揭示了它們在量子相和量子相變中的重要作用。

Thouless、Kohmoto、Nightingale 和 Den Nijs還發現了固體中能帶上的「陳省身示性類」——一個近代數學代數拓撲中的概念。他們把陳省身示性類和整數量子霍爾效應直接聯繫了起來。

又一個三小時的討論，Haldane（右）和文小剛（左）

Haldane的著名工作之一是發現了反常量子霍爾效應的一個機制。他指出在某些材料中，如果時間反演和空間反演對稱性破缺的話，即使沒有外加磁場，這些材料也能有量子霍爾效應。這一反常量子霍爾效應最近被清華的薛其坤小組所驗證。

Haldane另一項著名工作就是以他名字命名的自旋鏈上的「Haldane相」。這是第一個在理論上發現的對稱保護拓撲態，隨後，這一Haldane相也被實驗確認。對稱保護拓撲態是一大類不能用朗道對稱破缺理論所描寫的新的量子物質態，這些是由量子糾纏所導致的新的物質態。最近對稱保護拓撲態和它的群上同調理論已經成為凝聚態物理中一個非常活躍的領域。另外，Haldane在分數量子霍爾效應方面也做了很多開創性工作。

文小剛回憶道：

Haldane是一個非常專註的理論物理學家，經常潛心在他的物理世界中。有一次我們在瑞士開會的間隙中，去一個植物園遊覽參觀。大家帶了照相機欣賞各種稀奇植物和風景。Haldane則帶了一個筆記本，低頭算了一路。Haldane也喜歡非常熱心地給你講他的新理論，一講就可以講兩三個小時，寫滿整個黑板。可以說，他時常顯示出孩子般的天真。

Haldane在植物園裡做理論計算

得獎人介紹

David James Thouless，1934年出生於英國貝爾斯登，1958年於康奈爾大學獲得博士學位，華盛頓大學物理系教授。他為人們理解原子和電子的多體系統、原子核多體系統作出了重要貢獻。他的研究領域包括超導現象、核物質性質以及原子核內激發態關聯運動。

F. Duncan M. Haldane，1951年出生於英國倫敦，1978年於劍橋大學獲得博士學位，現為美國普林斯頓大學教授。他在Luttinger液體理論、一維的自旋鏈理論、分數量子霍爾效應的原理、排除統計、糾纏譜等領域作出了重要貢獻。

J. Michael Kosterlitz，1942年出生於英國阿伯丁，1969年於牛津大學獲得博士學位，現為美國布朗大學教授。他的研究涵蓋一維和二維物理的凝聚態理論、隨機系統、電子局域化和自旋玻璃態等的相變，以及熔化和凝固的臨界動力學等領域。

本次諾貝爾物理學獎授予三人是為表彰其在「拓撲相變和拓撲物態的理論發現」。

獨家專訪

曹則賢（中科院物理研究所研究員）：

Thouless是一位對相變理論具有深刻認識的物理學家。他和Kosterlitz合作的關於2維XY模型相變問題研究的發現，即一種自高溫無序相向低溫准有序相的無窮階相變，後來被命名為Kosterlitz-Thouless 相變。(Kosterlitz, J. M. &Thouless, D. J. Ordering,metastability and phase-transitions in 2 dimensional systems. J. Phys. C 6, 1181–-1203 (1973) ）

Thouless物理功底深厚，對量子力學、拓撲理論和相變理論都有自己的獨到見解，著有topological quantum numbers in nonrelativistic physics(1998),Introduction to topological quantum numbers,The quantum mechanics of many-body systems等書，這些著作對相關領域的研究具有深遠的影響。

Thouless生於1934年，作出這個工作時不足40歲，正當壯年。

我讀研究生時讀過Thouless的文章和書，沒讀懂，深以為憾。 Thouless 獲得諾貝爾物理獎，實至名歸！！！

隨著真空技術、表面物理、材料科學以及量子計算，當然包括對量子拓撲問題的理論研究的進展，近些年很多新拓撲材料和拓撲性質陸續被發現，因此Thouless他們工作的開創性意義也變得越來越明顯了。諾獎委員會今年關於物理學獎的決定，是對這三位物理學家開創性工作的肯定，也是對近些年凝聚態物理系列重大進展的肯定。

吳飆（北大物理學院教授）：

這次獲獎人的工作非常具有原創性，凝聚態里著名的TKNN公式里的「T」就是Thouless。David J. Thouless得獎是名至實歸。他開創了凝聚態里拓撲方向的研究，後來很多該領域的出色工作幾乎都可追根溯源至Thouless。

另外，Thouless和Kosterlitz提出了超流里著名的KT相變。

論起師承關係，Thouless算是我的師爺。但非常遺憾，我沒見過他和他討論過物理。據我所知，Thouless是個非常聰明，同時非常踏實且低調的人。

不過，令我感到遺憾的是Berry沒有得獎，他的Berry相位更具一般性，對包括凝聚態物理在內的很多領域都有貢獻。

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