16年諾獎回顧：英國出生美國工作的物理學家與拓撲相的故事
原文以Physics of 2D exotic matter wins Nobel為標題
發布在2016年10月4日的《自然》新聞上
原文作者：Elizabeth Gibney 和 Davide Castelvecchi
英國出生的三位物理學家因在拓撲相方面所做的工作而獲獎。
David Thouless、Duncan Haldane和Michael Kosterlitz
N. Elmehed/Nobel Media 2016
David Thouless、Duncan Haldane和Michael Kosterlitz榮獲2016年諾貝爾物理學獎，因為他們從理論上解釋了二維材料中物質的奇異狀態，又稱拓撲相。
三人在20世紀70年代和80年代的研究成果為解釋實驗物理學家在材料表面和極薄薄層內部發現的奇異行為奠定了基礎。這些奇異行為包括極薄材料顯示出的超導性（無阻導電行為）和磁性。
諾獎揭曉後，Haldane在接受採訪時表示，這些數學理論在當時非常抽象。此次獲獎令他感到「非常意外，也非常高興」。
但現在，物理學家正在探索類似的物質態，以期在新一代電子和量子計算機中加以應用。此次諾獎得主們開創的理論已被擴展到了拓撲絕緣體（整體不導電但表面導電的絕緣體）等激動人心的材料的開發中。
Immanuel Bloch，在德國慕尼黑大學研究拓撲現象的實驗物理學家解釋道，「如果一根繩子上打了一個結，然後把這根繩子首尾相連，要去除這個繩結就只能把繩子割斷，拓撲性質也是如此的堅固。例如，流體中的旋渦很容易就可以左右移動，但難以破壞。「它們因為拓撲結構獲得保護，不能被輕易地破壞。」
在伯明翰大學就職期間，Thouless和Kosterlitz證明，理論上，材料薄層會在低溫下表現出超導性，但在溫度升高時又會消失。此外，二人還解釋了使這一現象消失的機制，由此揭開了一系列理論突破的序幕。
他們的理論被稱為KT（Kosterlitz-Thouless）相變，適用於大量不同種類的二維材料，成為了物理學領域的一個重要工具。（烏克蘭物理學家Vadim Berezinskii也提出過類似理論，他的名字經常同Kosterlitz和Thouless一道，與相變聯繫在一起，Berezinskii原本也有可能共享諾獎榮譽，但已於1980年去世。）
1982年，Thouless還解釋了量子霍爾效應。德國物理學家Klaus von Klitzing於1980年發現了該現象，並因此榮獲1985年的諾貝爾物理學獎。在這種效應下，當電子被限制在薄膜中、溫度降至絕對零度左右，並且被施以強磁場時，電子會以異常有序的方式流動，並且導電性會隨著磁場的增強而上升。
Thouless通過引入拓撲這一數學概念解釋了該現象，拓撲描述的是在物體發生變形但未分裂的情況下依然能保持不變的特性，因此產生的是階躍變化而非平穩變化。
量子霍爾效應是一個「令人震驚」的巨大驚喜，德國馬克斯·普朗克複雜系統物理研究所的凝聚態理論物理學家Roderich Moessner說，「Thouless意識到，拓撲是核心所在。」
與此同時，Haldane則忙於將拓撲概念應用於磁原子鏈上。這些原子擁有一種被稱為自旋的量子特性，1982年，Haldane預測特定的原子鏈能夠表現出拓撲特性，在兩端產生半自旋。由於這一量子特性依賴於整個原子鏈的集體活動而非單個粒子，科學家們目前正在探索類似的現象，以期在量子計算機中實現有效的信息編碼。
「他們用不同的方式表明，拓撲概念能如何促進前所未知的新物質形態的發現，」劍橋大學理論物理學家Nigel Cooper說。
本次獲獎的三位出生在英國的物理學家目前均在美國工作：Thouless就職於西雅圖的華盛頓大學，Kosterlitz就職於羅德島州的布朗大學，Haldane就職於新澤西州的普林斯頓大學。今年的諾貝爾物理學獎獎金為800萬瑞典克朗（約合630萬人民幣），一半頒給Thouless，一半由Kosterlitz和Haldane共享。
Naturedoi:10.1038/nature.2016.20722
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