华盛顿大学退休教授索雷思荣获2016诺贝尔物理学奖

诺贝尔奖官网消息,三名科学家分享了2016年诺贝尔物理学奖。他们的获奖理由是“针对拓扑相变和物质拓扑阶段的理论发现”。三位获奖者是大卫-索雷思(David J Thouless),1934年生于英国,是美国华盛顿大学退休教授;邓肯-霍尔丹(F Duncan M Haldane),1951年生于英国,供职于美国普林斯顿大学;迈克尔-科斯特里兹(J Michael Kosterlitz),1942年生于英国,供职于美国布朗大学。其中索雷思获得800万瑞郎(合93万美元)奖金总额的一半,霍尔丹和科斯特里兹共获奖金另一半。

瑞典皇家科学院的公告说:

“This year’s Laureates opened the door on an unknown world where matter can assume strange states. They have used advanced mathematical methods to study unusual phases, or states, of matter, such as superconductors, superfluids or thin magnetic films. Thanks to their pioneering work, the hunt is now on for new and exotic phases of matter. Many people are hopeful of future applications in both materials science and electronics. Their discoveries have brought about breakthroughs in the theoretical understanding of matter’s mysteries and created new perspectives on the development of innovative materials,”

本年度诺贝尔物理学奖获得者打开了异物质这扇未知世界的大门,这些物质拥有假想的奇异特性。他们使用先进的数学方法研究了超导体、超流体和薄膜磁性材料等物质的反常阶段和状态。在他们开拓性的研究下,当前对物质的探索进入了一个新的奇异阶段。许多人对这些物质未来在材料学和电子学中的应用满怀信心。

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索雷思出生在英国,大学毕业于剑桥大学三一学院,于1960年代从康奈尔大学获得物理学博士学位,他的导师是诺贝尔奖得主Hans Bethe。在他20多岁的时候,索雷思已经出版了一本被称为是量子力学圣经的书。索雷思在加州大学伯克利分校做过博士后,在加入华盛顿大学之前,他在英国宾汉顿大学担任数学物理教授。

索雷思在华盛顿大学的同事John Rehr说,华大在80年度聘用索雷思简直就是一次政变,是个宇宙级别的巧合。“他是个非常出色的物理学家,当你问他一个物理问题的时候,他不仅仅回答你的问题,他还会沉思一两分钟,然后给你一个非常深入的回答”,Rehr说,“在实验证明之前,用数学和物理推论来预测一个现象是十分罕见的”。诺贝尔奖委员会把奖金的一半发给索雷思,也是对他在拓扑理论和材料领域的贡献的承认。

20世纪70年代初期,迈克尔-科斯特利茨和大卫-索雷思推翻了当时关于超导体和超流体无法在薄膜层中实现的理论。他们证明,超导体可以在低温环境下实现,并解释了其实现机制,以及使超导体在高温中消失的相变问题。20世纪80年代,索雷思得以用非常薄的导电层解释之前的一个实验。在这些导电层中,导电性可以用整数步骤精确测量出来。他证明了这些整数步骤是符合拓扑结构的。几乎在同一时期,邓肯-霍尔丹发现了如何用这些拓扑概念理解一些物质中发现的小磁铁链的特性。

诺贝尔奖经常颁发给几十年前的重大发现的发现者,以验证其经得起时间的考验。

索雷思于2003年从华盛顿大学退休,他的太太Margaret也曾在华盛顿大学工作,专业方向是病理学。

 

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(索雷思(David Thouless)教授资料照片)

【背景介绍】科普:什么是拓扑?什么是相变?

看不懂今年的#诺贝尔奖#物理学奖?为什么这些字每个字都知道,合起来就不认识了?先别急,诺奖官方推特做了一个简单的介绍。

应用物理学中的拓扑概念,对三位获奖者取得发现成果具有决定性意义。拓扑学是数学的一个分支,它描述的是物质逐步演变的性质。三位获奖者以拓扑学为工具,这令评委会专家感到震惊。

我们现在知道很多拓扑概念,不仅在薄导电层和线程中,也在普通的三维物质中。过去的几十年来,拓扑领域已经促进了凝固态物理学的前沿研究,不仅是因为拓扑材料可以用在新一代的电子工业和超导体中,更可以用在未来的量子计算机中。今年的诺贝尔物理学奖获得者们发现了一个奇妙世界,目前的研究正在解释其中的秘密。

要想知道什么是“物质的拓扑相变和拓扑相”。你得先知道什么是拓扑、什么是相变。

[拓扑]:拓扑学是数学的一个分支。它的主要研究内容,是几何形状在连续形变中所不改变的性质。例如,一个有把手的茶壶连续变化成轮胎,而不是一个球。(见图1)

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图1

[相变]:相变就是物质在外界条件连续变化时,从一种“相”突然变成另一种“相”的过程,比如冰融化成水。(见图2)

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图2

日常生活中最常见的“相”是气态、液态和固态。而在一些极端的条件下,比如极高的温度或者极低的温度,会出现很多更为奇异的状态。(见图3)

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图3

我们所看到的相变,是分子在微观层面上一起作出改变的结果。比如宏观上,冰融化成水,再蒸发成水蒸气的过程中:在微观上,分子和分子先是像方阵兵一样十分整齐地排列着,在宏观上就表现出冰的状态。当温度升高,士兵们在附近自由活动,不再整齐地保持队列,但依然挨在一起,再宏观上就呈现了水的形态;当温度再升高,士兵们完全自由运动,就呈现了水蒸气的状态。

而戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨还提出了BKT相变(Berezinskii–Kosterlitz–Thoulesstransition),它在微观上是这样的:一群士兵分别围绕几个长官转圈。为了一直转下去,有一群顺时针的士兵,就要有一群逆时针转的。一开始,每一个逆时针的长官都和一个顺时针的长官配对,每一对顺/逆时针的长官所带领的士兵都只会互相补充给彼此;后来每一对长官都分开了,随意移动,他们率领的士兵也不再只给彼此,而是送给所有其他人,这样拓扑结构发生了改变,从而产生了相变。不过,与水不同,BKT相变描述的是二维的物质。(见图2)

(本文根据《西雅图时报》以及果壳网编译)

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