三位诺奖得主用不同的方式表明，拓扑能促进发现全新的物质形态
原文以Physics of 2D exotic matter wins Nobel为标题
发表在2016年10月4日的《自然》新闻上
导语：英国出生的物理学家因在拓扑相方面所做的工作而获奖。
原文作者：Elizabeth Gibney 和 Davide Castelvecchi
David Thouless、Duncan Haldane和Michael Kosterlitz 图片来源：N. Elmehed/Nobel Media 2016
David Thouless、Duncan Haldane和Michael Kosterlitz荣获2016年诺贝尔物理学奖，因为他们从理论上解释了二维材料中物质的奇异状态，又称拓扑相。
三人在20世纪70年代和80年代的研究成果为解释实验物理学家在材料表面和极薄薄层内部发现的奇异行为奠定了基础。这些奇异行为包括极薄材料显示出的超导性（无阻导电行为）和磁性。
诺奖揭晓后，Haldane在接受采访时表示，这些数学理论在当时非常抽象。此次获奖令他感到“非常意外，也非常高兴”。
但现在，物理学家正在探索类似的物质态，以期在新一代电子和量子计算机中加以应用。此次诺奖得主们开创的理论已被扩展到了拓扑绝缘体（整体不导电但表面导电的绝缘体）等激动人心的材料的开发中。
Immanuel Bloch，在德国慕尼黑大学研究拓扑现象的实验物理学家解释道，“如果一根绳子上打了一个结，然后把这根绳子首尾相连，要去除这个绳结就只能把绳子割断，拓扑性质也是如此的坚固。例如，流体中的旋涡很容易就可以左右移动，但难以破坏。 “它们因为拓扑结构获得保护，不能被轻易地破坏。”
在伯明翰大学就职期间，Thouless和Kosterlitz证明，理论上，材料薄层会在低温下表现出超导性，但在温度升高时又会消失。此外，二人还解释了使这一现象消失的机制，由此揭开了一系列理论突破的序幕。
他们的理论被称为KT (Kosterlitz-Thouless)相变，适用于大量不同种类的二维材料，成为了物理学领域的一个重要工具。（乌克兰物理学家Vadim Berezinskii也提出过类似理论，他的名字经常同Kosterlitz和Thouless一道，与相变联系在一起，Berezinskii原本也有可能共享诺奖荣誉，但已于1980年去世。）
1982年，Thouless还解释了量子霍尔效应。德国物理学家Klaus von Klitzing于1980年发现了该现象，并因此荣获1985年的诺贝尔物理学奖。在这种效应下，当电子被限制在薄膜中、温度降至绝对零度左右，并且被施以强磁场时，电子会以异常有序的方式流动，并且导电性会随着磁场的增强而上升。
Thouless通过引入拓扑这一数学概念解释了该现象，拓扑描述的是在物体发生变形但未分裂的情况下依然能保持不变的特性，因此产生的是阶跃变化而非平稳变化。
量子霍尔效应是一个“令人震惊”的巨大惊喜，德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的凝聚态理论物理学家Roderich Moessner说，“Thouless意识到，拓扑是核心所在。”
与此同时，Haldane则忙于将拓扑概念应用于磁原子链上。这些原子拥有一种被称为自旋的量子特性，1982年，Haldane预测特定的原子链能够表现出拓扑特性，在两端产生半自旋。由于这一量子特性依赖于整个原子链的集体活动而非单个粒子，科学家们目前正在探索类似的现象，以期在量子计算机中实现有效的信息编码。
“他们用不同的方式表明，拓扑概念能如何促进前所未知的新物质形态的发现，”剑桥大学理论物理学家Nigel Cooper说。
本次获奖的三位英籍物理学家目前均在美国工作：Thouless就职于西雅图的华盛顿大学，Kosterlitz就职于罗德岛州的布朗大学，Haldane就职于新泽西州的普林斯顿大学。今年的诺贝尔物理学奖奖金为800万瑞典克朗（约合94万美元），一半颁给Thouless，一半由Kosterlitz和Haldane共享。ⓝ
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