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2016诺贝尔物理学奖:以「拓朴相态」研究获殊荣

2016-10-05 22:30 来源于:未知
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史上最牛网导读: 2016 年诺贝尔物理学奖得主于台湾时间 10 月 4 日出炉,由 3 位出生于英国的物理学者共享殊荣,这 3 名学者分别为在美国华盛顿大学任教的 David J. Thouless、在美国普林斯顿大学任教的
2016诺贝尔物理学奖:以「拓朴相态」研究获殊荣

2016 年诺贝尔物理学奖得主于台湾时间 10 月 4 日出炉,由 3 位出生于英国的物理学者共享殊荣,这 3 名学者分别为在美国华盛顿大学任教的 David J. Thouless、在美国普林斯顿大学任教的 F. Duncan M. Haldane 与任教于美国布朗大学的 J. Michael Kosterlitz,以「关于物质拓朴相变与拓朴相态的理论发现」拿下诺贝尔物理学奖,这项理论为材料科学发展带来了全新的角度。

以拓朴学(topology)的概念作为工具进行研究,3 名物理学奖得主研究物质奇异相态(phases)的现象,如超导体(superconductors)、超流体(superfluid)、磁性薄膜(thin magnetic films),得到关于物质拓朴相变与拓朴相态的理论发现,让他们成为该领域的先驱者,也开启了人类对于奇异物质相态的研究,在材料科学与电子学的发展上有重大贡献。

拓朴学为数学学门的一大分支,主要研究不同空间的连续变化(如拉伸、弯曲或压扁,但不包括撕开或黏合)中,哪些特质维持不变性质。在拓朴学的理论中,一个球体与一个碗被归为同一类(若利用一块球状黏土可形塑成一个碗);而一个贝果(中间有洞)与一个咖啡杯(把手有洞)则是被归为另一种类型,因贝果与咖啡杯能透过重塑的过程,形塑成彼此的形状,也就是说,拓朴学理论中的物质,可以是一个洞、两个洞、三个洞或四个洞等,虽然物质可能包含不同洞数,但相同的是,这些洞数必须为整数(integer),而这可用来解释量子霍尔效应(quantum Hall Effect)中的电导(electrical conductance)与整数量子霍尔效应的机制。

1970 年代早期,Kosterlitz 与 Thouless 推翻了当时科学家普遍认为超导性(superconductivity)与超流(superfluidity)不可能发生在薄层(thin layer)中的理论,他们证明了超导体可在低温下出现,也解释了超导体在温度升高时消失的机制与相变(phase transition)。

到了 1980 年代,Thouless 解释了先前一项极薄导电层实验中,传导性(conductance)是如何以整数精确测得,并解释了这些整数的拓朴学性质,而在相同时期,Haldane 则是发现了拓朴学概念如何应用在解释某些物质中原子磁极鍊的性质上。Kosterlitz 与 Thouless 的研究在发现奇异物质相态的理论中,占有相当重要的地位。

在过去十年内,3 名学者的理论发现,开启了凝态物理学(condensed matter physics)的前沿研究,也启发了近来「拓朴绝缘体」(topological insulators)的研究。多亏这 3 名学者,才能让拓朴材料应用在电子学与超导体,甚至是未来量子电脑的研发上。


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