诺贝尔物理学奖花落拓扑相变,3位在英出生的美国科学家获奖

澎湃新闻记者 杨漾 见习记者 虞涵棋

2016-10-04 17:54 来源:澎湃新闻

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北京时间10月4日下午17时45分,2016年诺贝尔物理学奖揭晓。诺贝尔物理学奖评委会在斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院宣布,2016年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家:大卫·索利斯(David J. Thouless)、邓肯·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和迈克尔·科斯特利茨(J. Michael Kosterlitz),以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。
3位科学家将分享800万瑞典克朗,其中大卫·索利斯获得400万瑞典克朗,邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨共同分享400万瑞典克朗。
三位获奖人(从左至右):大卫·索利斯(David J. Thouless)、邓肯·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和迈克尔·科斯特利茨(J. Michael Kosterlitz)
大卫·索利斯(David J. Thouless)是理论凝聚态物理学家,1934年出生于英国贝尔斯登。1958年从美国康奈尔大学获得博士学位,导师是著名物理学家、1967年诺贝尔物理学奖获得者汉斯·贝特(Hans Bethe)。大卫·索利斯曾为伯明翰大学物理数学系教授。目前是美国华盛顿大学荣誉退休教授。
邓肯·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)1951年出生于英国伦敦,1978年获得英国剑桥大学博士学位,现任教于美国普林斯顿大学。他对于凝聚态物理理论作出了许多基础性的贡献,包括分数量子霍尔效应等等。他曾获得诸多奖项和荣誉,如英国皇家学会会员、美国物理学会会士、狄拉克奖章等。
迈克尔·科斯特利茨(J. Michael Kosterlitz)1942年出生于苏格兰阿伯丁郡,其父是一名生物化学家。迈克尔·科斯特利茨于1969年获得英国牛津大学博士学位,1974年就职于伯明翰大学,1982年起任美国布朗大学物理系教授。其研究方向主要是凝聚态理论,一维/二维物理,其中相变领域包括:随即体系、电子局域化、自旋玻璃态等;临界动力学包括:融化、凝固。
拓扑学是三位得奖者能做出这一成就的关键,它解释了为什么薄层物质的的电导率会以整数倍发生变化。拓扑相变所研究的,是在低温下没有自发对称性破缺的相变,这种相变超越了日常常见的相变,比如水从气体变成液体,再从液体变成固体的过程。这类研究突破了人们对物态和相变的既有认识,有关低维量子拓扑物态研究更为未来信息科技建立了物理基础。
索利斯和科斯特利茨两位科学家是在上世纪70年代最早从事拓扑相变研究,在经典系统中发现所谓的拓扑相变。而霍尔丹是在电子物理材料系统中研究拓扑超导的。
在伯明翰大学从事博士后研究期间,科斯特利茨就曾与索里斯合作。两人合作的关于2维XY模型相变问题研究的发现,即一种自高温无序相向低温准有序相的无穷阶相变,后来被命名为Kosterlitz-Thouless相变。
诺贝尔奖评选委员会在声明中称,今年的三位物理学奖获得者,打开了一扇通往由奇异状态下的物质构成的未知世界的大门。他们用先进的数学方法,对超导、超流体和薄膜磁性等物质的异常状态与阶段,进行了深入研究。“感谢他们开创性的工作,引领我们踏上了追寻物质的奇异状态之旅。很多人看好这一发现将被应用于材料科学和电子学中。”
在奖项最终揭晓之前,作为LIGO实验的奠基者,麻省理工学院的Rainer Weiss教授、加州理工学院的Kip Thorne教授和Ronald Drever教授,曾是今年诺贝尔物理学奖的热门人选。2016年2月11日,位于美国华盛顿和路易斯安那两地的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)的科学家宣布,他们于2015年9月14日首次直接探测到了爱因斯坦在100年前基于广义相对论所预言的引力波。这一消息震惊世界,被认为是诺贝尔奖级的发现。
LIGO之所以无缘诺贝尔奖,重要原因是2016年度的诺贝尔奖提名截止日期是2月1日,但LIGO直到2月11日才发表他们的引力波探测成果。在这种情况下,除非诺贝尔奖评委会破例,否则今年注定与物理学奖擦身而过。此外,LIGO的实验结果也招致了一些质疑,有待进一步的验证。尽管LIGO团队于今年6月宣布,去年12月26日他们的实验装置观测到了另一个引力波事件,但其显著性远不如去年9月观测到的引力波信号。
诺贝尔物理学奖是根据瑞典著名化学家阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔的遗嘱,以其部分遗产作为基金创立的5项奖项之一,旨在奖励那些对人类物理学领域里作出突出贡献的科学家。首次颁发是在1901年,获奖者是发现X射线的物理学家威尔姆·康拉德·伦琴。诺贝尔物理学奖的获得者还包括爱因斯坦、居里夫人、玻尔等等有着杰出贡献的科学家。
自1901年至2016年,诺贝尔物理学奖项已颁发110次。其中,1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年这6年未颁奖。根据诺贝尔基金会的章程,如果没有足够重要的成就,奖金将被留至下一年。如果第二年仍然未能颁出,这份奖金将被加入到基金会的限制资金中。在两次世界大战期间,诺贝尔奖较少颁出。
诺贝尔奖评选委员会的颁奖声明全文:
他们揭示了奇异物质的秘密
今年的三位物理学奖获得者,打开了一扇通往由奇异状态下的物质构成的未知世界的大门。他们用先进的数学方法,对超导、超流体和薄膜磁性等物质的异常状态与阶段,进行了深入研究。感谢他们开创性的工作,引领我们踏上了追寻物质的奇异状态之旅。很多人看好这一发现将被应用于材料科学和电子学中。
三位获奖者们的核心成就,是将拓扑学概念应用到物理学中。拓扑(Topology)本是数学的一个分支,通常用来研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。上世纪70年代早期,当时盛行的理论认为,超导或超流现象无法发生在薄膜中。但迈克尔·科斯特利茨和大卫·索利斯推翻了这一点。他们解释了低温超导现象,以及为何超导无法存在于高温中的相变机理。
在20世纪80年代,索利斯已经能够解释在以前的实验中,为何薄层物质的的电导率会以整数倍发生变化,他展示了这种整数倍电导率是这些材料天生的拓扑性质。而大约在同一时间,邓肯·霍尔丹发现了拓扑概念如何可以用来理解一些材料中发现的小磁场链的属性。
我们现在知道了很多拓扑相,不仅存在于薄层和线状材料中,也存在于普通的三维材料中。在过去十年里,这一领域的研究促进了凝聚态物理的蓬勃发展。人们期待拓扑材料的研究能被应用于新一代电子学和超导体领域,甚至量子计算机。今年诺贝尔物理学奖的获得者们打开了一个奇异世界的大门,而更多的研究者正在一步步揭秘这个奇异世界里物质的秘密。
关于诺贝尔物理学奖(1901-2015)的几个有趣数字:
109:从1901年到2015年,诺贝尔物理学奖总共颁发了109次。
47:有47届诺贝尔物理学奖是仅颁发给一名获奖人。
1:至今为止,仅有1人连续两次获得诺贝尔物理学奖,他就是John Bardeen(约翰·巴丁,1908年5月23日-1991年1月30日),美国物理学家,因晶体管效应和超导的BCS理论两次获得诺贝尔物理学奖分别是1956年、1972年)。
25:最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是William Lawrence Bragg,获奖时是25岁。1915年,他和他的父亲William Henry Bragg同时获奖。
55:诺贝尔物理学奖获得者,获奖时的平均年龄是55岁。
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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