2016 年诺贝尔物理学奖被拆分，一半授予华盛顿大学的大卫·J·索利斯，另一半授予普林斯顿大学的 F·邓肯·M·霍尔丹和布朗大学的 J·迈克尔·科斯特利茨。该奖项授予了理论家在凝聚态物理学方面的研究，特别是他们在拓扑相变和物质的拓扑相方面的研究，这些现象是超导体、超流体和薄磁膜等奇异物质状态的基础。他们的工作为低温下物质的行为提供了新的见解，并为创造一种称为拓扑绝缘体的新材料奠定了基础，这种材料可以允许构建更复杂的量子计算机。
拓扑学是数学的一个分支，它研究仅以整数步长而不是连续方式增量变化的特性。斯德哥尔摩大学的物理学家索尔斯·汉斯·汉森今年在诺贝尔委员会任职，他在颁奖典礼上通过从一个袋子里拿出肉桂卷、百吉饼和瑞典椒盐卷饼来解释拓扑学的核心概念。他开玩笑说：“我带了午饭，”然后解释说，对于拓扑学家来说，这三种食物之间的唯一区别是它们中的孔的数量，而不是它们的味道。肉桂卷没有孔，而百吉饼有一个孔，椒盐卷饼有两个孔。那么，对于拓扑学家来说，肉桂卷与碟子属于同一类别，而百吉饼会与杯子配对，而椒盐卷饼则与眼镜配对。索利斯、科斯特利茨和霍尔丹的获奖见解围绕着这样一种观念，即这些相同的“拓扑不变量”也可以解释物质中的相变，尽管不是熟悉的相变，例如液体冻结成固体或升华成气体。相反，理论家研究的相变主要发生在冷却到低温的薄二维薄膜中。
第一个见解出现在 1970 年代初期，当时索利斯和科斯特利茨一起推翻了长期以来的共识，即由于热波动，即使在绝对零度下，超导性（无电阻的电流流动）和超流性（一种具有零摩擦的流体）等相变根本不会发生在二维系统中。他们反而发现，冷的二维系统实际上可以通过一种完全不可预测的现象发生相变，即在非常低的温度下形成成对的涡流，然后在温度超过一定的热阈值时突然分离。这种“KT 转变”（代表“科斯特利茨-索利斯”）是普遍的，已被用于研究薄膜中的超导性，以及解释为什么超导性在较高温度下会消散。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保今天塑造我们世界的发现和想法的重要故事的未来。
接下来，在 1980 年代，索利斯和霍尔丹分别研究了量子系统中电的电导率如何遵循拓扑规则。索利斯的工作研究了量子霍尔效应，这是一种先前已知的现象，其中半导体薄层中的强磁场和低温会导致电导率仅以精确的整数步长而不是连续变化。直到索利斯推测这种系统中的电子正在形成所谓的拓扑量子流体，集体行动仅以整数步长流动时，这种现象才得以解释。霍尔丹独立地表明，即使在没有强磁场的情况下，拓扑量子流体也可以在半导体层中形成，这基于他早期对磁化原子的一维链中类似拓扑行为的预测。
索利斯和霍尔丹的工作共同提供的见解已被证明在开发和理解拓扑绝缘体方面至关重要，拓扑绝缘体是一种新型物质，它阻止电子在其内部流动，同时在其表面传导电流。这种独特的特性可以使拓扑绝缘体用于寻找新型基本粒子，并用于在量子计算机内形成电路。科学家们已经在讨论，在某些情况下还在制造其他更奇异的材料，即拓扑超导体和拓扑金属，它们在计算和电子学方面都具有巨大的新应用潜力。
霍尔丹在电话采访中说：“这项工作告诉我们，量子力学的行为可能比我们想象的要奇怪得多，而且我们还没有真正理解所有可能性。” “我们还有很长的路要走才能发现什么是可能的，而很多事情都是人们最初不会梦想到的。”