2016 諾貝爾物理學獎:對材料科學與電子學貢獻良多,3 名英國學者以「拓樸相態」研究獲殊榮

作者 | 發布日期 2016 年 10 月 05 日 11:57 | 分類 名人堂 , 材料 follow us in feedly
下載自路透
A screen showing pictures of the winners of the 2016 Nobel Prize for Physics during a news conference by the Royal Swedish Academy of Sciences in Stockholm, Sweden October 4, 2016. From left: David Thouless, Duncan Haldane and Michael Kosterlitz.   TT News Agency/Anders Wiklund/via REUTERS       ATTENTION EDITORS - THIS IMAGE WAS PROVIDED BY A THIRD PARTY. FOR EDITORIAL USE ONLY. SWEDEN OUT. NO COMMERCIAL OR EDITORIAL SALES IN SWEDEN. NO COMMERCIAL SALES. - RTSQO9C

2016 年諾貝爾物理學獎得主於台灣時間 10 月 4 日出爐,由 3 位出生於英國的物理學者共享殊榮,這 3 名學者分別為在美國華盛頓大學任教的 David J. Thouless、在美國普林斯頓大學任教的 F. Duncan M. Haldane 與任教於美國布朗大學的 J. Michael Kosterlitz,以「關於物質拓樸相變與拓樸相態的理論發現」拿下諾貝爾物理學獎,這項理論為材料科學發展帶來了全新的角度。



以拓樸學(topology)的概念作為工具進行研究,3 名物理學獎得主研究物質奇異相態(phases)的現象,如超導體(superconductors)、超流體(superfluid)、磁性薄膜(thin magnetic films),得到關於物質拓樸相變與拓樸相態的理論發現,讓他們成為該領域的先驅者,也開啟了人類對於奇異物質相態的研究,在材料科學與電子學的發展上有重大貢獻。

拓樸學為數學學門的一大分支,主要研究不同空間的連續變化(如拉伸、彎曲或壓扁,但不包括撕開或黏合)中,哪些特質維持不變性質。在拓樸學的理論中,一個球體與一個碗被歸為同一類(若利用一塊球狀黏土可形塑成一個碗);而一個貝果(中間有洞)與一個咖啡杯(把手有洞)則是被歸為另一種類型,因貝果與咖啡杯能透過重塑的過程,形塑成彼此的形狀,也就是說,拓樸學理論中的物質,可以是一個洞、兩個洞、三個洞或四個洞等,雖然物質可能包含不同洞數,但相同的是,這些洞數必須為整數(integer),而這可用來解釋量子霍爾效應(quantum Hall Effect)中的電導(electrical conductance)與整數量子霍爾效應的機制。

1970 年代早期,Kosterlitz 與 Thouless 推翻了當時科學家普遍認為超導性(superconductivity)與超流(superfluidity)不可能發生在薄層(thin layer)中的理論,他們證明了超導體可在低溫下出現,也解釋了超導體在溫度升高時消失的機制與相變(phase transition)。

到了 1980 年代,Thouless 解釋了先前一項極薄導電層實驗中,傳導性(conductance)是如何以整數精確測得,並解釋了這些整數的拓樸學性質,而在相同時期,Haldane 則是發現了拓樸學概念如何應用在解釋某些物質中原子磁極鍊的性質上。Kosterlitz 與 Thouless 的研究在發現奇異物質相態的理論中,占有相當重要的地位。

在過去十年內,3 名學者的理論發現,開啟了凝態物理學(condensed matter physics)的前沿研究,也啟發了近來「拓樸絕緣體」(topological insulators)的研究。多虧這 3 名學者,才能讓拓樸材料應用在電子學與超導體,甚至是未來量子電腦的研發上。

(首圖來源:達志影像)

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