2016年10月5日 星期三

本屆諾貝爾物理學獎頒給英國出生的三位研究者,表彰他們在拓樸相變化(topological phase transitions)與物質的拓樸相(topological phases of matter)兩大概念的理論發現

本屆諾貝爾物理學獎頒給英國出生的三位研究者,表彰他們在拓樸相變化(topological phase transitions)與物質的拓樸相(topological phases of matter)兩大概念的理論發現,替「未知的世界打開一扇門」。
三名得主分別是杜列斯(David Thouless,八十二歲)、哈爾丹(Duncan Haldane,六十五歲)和科斯特利茲 (Michael Kosterlitz,七十四歲)。得獎研究屬於理論物理,但哈爾丹預言,相關研究與拓樸絕緣體未來可能打造出量子電腦。
任教於西雅圖華盛頓大學的杜列斯分得八百萬瑞典克朗(約台幣二千九百萬)的半數,任教於普林斯頓大學及布朗大學的哈爾丹和科斯特利茲平分另外一半。台大物理系教授高涌泉解釋,杜列斯對得獎的兩項研究都有參與貢獻,因此獲得半數獎金。
哈爾丹得知獲獎後表示非常驚喜且深感欣慰:「根據這些研究的許多新發現正在發生中,各界對這些新材料產生重大影響寄予厚望。」科斯特利茲則說,得獎感覺「有些茫茫然,努力沉澱中。」
需要時間沉澱的不只是得主。英國電訊報戲稱,三人研究太難懂,以致諾貝爾委員會必須拿麵包當道具說明研究的意義與重要性。記者會上,諾貝爾物理學獎委員會委員韓森特別拿出貝果、德國結麵包和肉桂麵包做例子,說明拓樸(topology)概念,表示在拓樸學者眼中,外形不同的三者在拓樸學者眼中唯一差異只有洞的數目,德國結麵包有兩個洞,貝果有一個,肉桂麵包沒洞。拓樸學處理物體延伸扭曲甚至變形時,某些不變的特性,像是洞數。無論麵包被扭成何種形狀,洞數不變。
高涌泉解釋,此為拓樸穩定性。杜列斯與科斯特利茲一九六○年代從研究二維的統計力學系統著手,發現某些物質溫度改變,狀態跟著改變時,拓樸量會產生變化。另一個簡單比喻:拓樸量像是用橡皮筋去套鉛筆,繞一圈或兩圈三圈的「繞數」不會輕易改變,也就是拓樸穩定性,除非像割斷橡皮筋這樣的劇烈變化。兩人研究在七○年代證明低溫時出現的超導現象,溫度升高後因為拓樸相變化而消失。
杜列斯與哈爾丹的研究則受到「量子霍爾效應」的啟發,發現某些固態系統在低溫狀態的拓樸性質。
諾貝爾委員會在頌辭中指出,三人的研究運用高等數學拓樸的方法研究物質的不尋常狀態,像是超導體、超流體或薄磁膜。拜三人開創性的研究所賜,尋找物質拓樸相已全面開展,希望有助於材料科學和電子學未來的應用。

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