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　　满威宁（加州州立大学旧金山分校物理与天文系教授）
　　今年的诺贝尔物理学奖被授予美国华盛顿大学的索利斯（David J. Thouless）、普林斯顿大学的霍尔丹（F.Duncan M. Haldane）和布朗大学的科斯特利兹（J.Michael Kosterlitz），以表彰他们的“理论研究发现了物质的拓扑相变和拓扑相。”诺贝尔奖官网说：“他们打开了通往奇异状态物质这一未知世界的大门。他们用高等数学方法研究不寻常的相、态、物质，比如超导体、超流体或薄磁膜。得益于他们的先驱性工作，对新型反常相物质的猎寻（hunt）开展起来了。很多人认为它们未来有望在材料科学和电子学上得以应用。”
　　首先，什么是相变？
　　众所周知，纯水可以有冰、水、水蒸气三种状态，也就是固体液体气体三种相。融化沸腾结霜等都是相变。值得注意的是，相变意味着存在不连续的跃变。比如说固相和液相之间并没有中间状态。你可以把冰和水混合在一起，但在冰水混合物（包括碎冰沙饮品）里，固相液相仍是分离的（phase separation），不像酒精和水溶液成为融合的单相。小朋友可能会好奇那软白甜的冰激凌，难道不是水在固液两相之间的中间相？注意，冰激凌不是水，是混合了蛋白质、脂肪、冰晶、糖、液态水以及气泡的典型软凝聚态――凝聚态物理的另一个重要分支。
　　在不同的相里，分子原子整体遵循不同的规律做运动。比如，在固态晶体里，分子排成一个固定的点阵，像是操练立体方阵的士兵。在液态下，晶格瓦解，分子们却还紧挨着，所以保持有限的体积，但有了流动性，失去了固定的形状。等到了气态，分子们各奔东西，不仅没了固定形状，体积也会充满所在容器的整个空间。除了固液气相，物质还可能有很多其他复杂的相，呈现出不寻常的特征，比如超导和超流，后面会解释。
　　总而言之，不同的相是指同一个物质内的原子们，有不同的组织结构，对应于不同的物态。相与相之间的变化，是跃变的（存在不连续的物理量），而不是渐变的 （比如将一块铁的温度慢慢升高）。
　　其次，什么是拓扑？
　　拓扑是topology 音译的词汇。拓扑学是数学的一个分支，主要研究在空间连续变化（比如拉伸和弯曲，但是不撕裂和粘合）的情况下维持不变的性质。
　　最著名的例子就是，一团橡皮泥可以捏成一个球或者一个碗，或者捏成诺奖发布会上，主持人手里的实心肉桂面包（不管怎样做连续变化，这些形状都是一回事：它们都没有洞）。而被打穿了一个洞的橡皮泥，或者有一个把手的茶杯，以及主持人手里的圆圈面包，或者一个筒裙，在拓扑学上他们都是一回事，拥有同样的不变性：一个洞。而穿了两个洞的橡皮泥，就像那个八字形的碱水面包，还有你的长裤和短裤，都具有相同的拓扑不变性。除了洞的个数，还有别的特征数用来描述不同的拓扑特性。
　　请注意，拓扑性也是跃变的，不是渐变的。有个笑话说，当禅师说任何事物都有两面，你可以把一张纸条拧一下然后两头反过来粘住，形成一个莫比乌斯环。在上面爬的蚂蚁会发现它只有一面。可是如果禅师说事物都有整数面，那他就对了。同样，拓扑描述里，可以有零个、一个、两个或N个洞，但是不会有中间态1.5个或1.618个洞。掌纹指纹的奇异点（构成“箩斗”或“簸箕”）、打结的耳机线、椰子绒毛的漩（和你头发的漩）无不要遵守拓扑学的描述。而且拓扑性必须看物质的整体而不是局部才能知晓。
　　拓扑的本质是在连续变化下的不变性。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。比如说，当空间发生连续变化（伸缩扭曲等），左图的二维的波浪式运动可以被消除，而右图转圈的漩涡只能被扭曲或移动，因为拓扑结构获得保护，漩涡不能被轻易地消除。后面会提到漩涡在二维拓扑相变里面的重要作用。
　　什么是电导率？
　　为了帮助理解后面的话题，我们先看看什么是电导率。想象一下你在一个管子（比如注射器）的一端施加压力，两端出现压强差，管内的液体会朝低压的方向流去，而流速流量不仅由压强差、管道长度、管道粗细决定，还会与液体的粘滞阻力有关，就像水和蜂蜜的区别。同样的，决定电流大小的，除了导线两端的电压差，材料的长短粗细，还有材料本身的导电性能（电导率）。比如金或者铜的电导率优于铝。我们平时说的电阻率，是电导率的倒数。一般情况下，电阻来源于电荷在移动过程中遭遇的阻碍（与其余微观粒子的频繁碰撞），类似于粘滞阻力和摩擦力。于是很大一部分电能就被消耗成了热能，所以你的手机会发热而且没用一天就要充电了。在三维导体和半导体中，电导率（电阻率）会随温度等状态发生变化，一般这样的变化是连续的，不是跃变的。
　　在特殊情况下，比如非常低温的条件下，物质可能发生特殊的相变，突然完全丧失电阻（或者粘滞系数），变成超导体（或者超流体），于是电流不再产生热量消耗电能，（或超流液体在环形容器中无休止地流动下去）。
　　然后，什么是拓扑相变？
　　现在，我们再来试图理解拓扑相变。
　　在低温下，微观粒子体现出量子力学的效应。而在薄层物质里，想象一下那些“运载”电流的电荷（或流体的分子），像蚂蚁一样被限制在桌面薄薄一层空间，只能做二维运动。那么他们中的一些有可能转着圈形成漩涡。
　　如果本节后面的文字读起来费劲，读完这一段你就可以跳到下一节。简短地说，今年的物理诺奖奖励了下列几个工作：(1) David J. Thouless和J. Michael Kosterlitz用漩涡（拓扑概念）解释了薄层物质的一种特殊形式的超导超流相变。(2) David J. Thouless等人用陈数（陈省身数，Chern numbers）等拓扑不变量解释了实验观测到的按整数倍变化的霍尔电导率。(3) F. Duncan M. Haldane提供了一维磁性原子链的拓扑模型。(4) F.Duncan M. Haldane还首次预言了不需要磁场的整数量子霍尔效应（最后这一条是不是获奖工作还有些争议）。总的来说，他们的理论开创了把拓扑概念应用到凝聚态物理研究的领域，打开了通往丰富的拓扑物态世界的大门。
　　从前的理论认为超导或者超流不可能在薄层中发生。而上世纪七八十年代，David J. Thouless和J. Michael Kosterlitz 提出拓扑量子流体的理论，描述了在极低温下薄层物质中的漩涡会顺时针逆时针成对出现，互相补给电荷（或者补给流体），作为整体形成准长程有序的束缚态，伴随超导或超流现象。在温度升高后，这些成对的漩涡突然远离，开始自由运动，破坏了超导或超流的长程位相有序性，导致物理性质突变。这个过程不同于普通的伴随对称性破缺（局部热扰动破坏的各方向对称性）的相变（比如结冰），而是由漩涡束缚态与自由态之间的转变导致的，要用到拓扑的不连续性来描述和解释，是拓扑相变的一种。已故前苏联科学家Berezinskii也独立地提出了这一相变机理，但由于东西方冷战而不为许多人知晓， 这一相变也被称为是BKT相变。
　　另外一个启发了科学家们去把拓扑性应用到物理里的一个重要现象，是在极低温强磁场下薄层物质的霍尔电导率成台阶式整数倍变化，而不能连续变化，即整数量子霍尔效应。（1980年德国科学家冯&克利青 Klaus von Klitzing 发现整数量子霍尔效应，于1985年获得诺贝尔物理学奖。）实验所测得的霍尔电导率非常精确地严格等于一个物理常数的整数倍。这个物理常数是大家熟悉的基本电荷（一个电子的电量）的平方除以量子力学里的极小量普朗克常数。（霍尔电导率不同于普通的电导率，但也同样是电流密度与电压梯度的比值。）
　　为什么霍尔电导率会如此固执地取这一系列整数倍数值呢？David J. Thouless等人把整数量子霍尔效应与陈数的整数拓扑不变量联系在了一起，用拓扑理论深刻解释了二维电子层中的整数量子霍尔效应。陈数是以华人数学家陈省身命名的。在数学上，陈省身提出的陈类（Chern Class）及相关理论在微分几何和代数拓扑学里面有举足轻重的位置。
　　另外，1982年，美籍华裔物理学家崔琦（Daniel Chee Tsui）、美国物理学家施特默（Horst L. Stormer）等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林（RoberB. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。
　　而今年的另一位得奖者，F. Duncan M. Haldane的理论计算在八十年代末第一个提出了与已知机理不同的，不需要外加磁场的量子霍尔效应。这一预言终于在2014年，被以薛其坤为首的清华大学和中科院物理所的研究团队，用前所未有的磁性掺杂拓扑绝缘体在实验上验证。他的理论为现在非常活跃的拓扑绝缘体领域提供了前期基础。他还用拓扑的概念研究一维的原子链，在八十年代年打破前人对一维原子链的认知，指出一串磁性原子的自旋常数决定了他们是否存在拓扑性。他近期的工作进一步升华了分数量子霍尔效应的理论。
　　最后，他们有什么用呢？
　　这些研究的意义是什么，他们有什么用，这是大家很关心的问题。
　　我首先要强调的是，把非常抽象的拓扑学应用到凝聚态物理研究中，形成全套崭新的理论，用以成功解释物质的奇异性质和相变，并预言前所未有的拓扑相和新物态，就像拿三角函数来描述带有方向的物理量（力和速度等矢量），拿微积分来描述渐进的物理过程，拿黎曼几何来描述引力的本质是时空的扭曲从而创立的广义相对论一样，这些“异想天开”的开创性理论研究打开了一扇扇新学科的大门，是具有划时代意义的。
　　拓扑激发态两个重要特点，一是全局性，二是对局部扰动的稳定性，不受材料里面杂质等干扰。到今天对拓扑物态的研究成为一个内容丰富又飞速发展的领域， 更多的奇异拓扑相（包括一维、二维、三维）和拓扑相变被预言和发现。
　　比如1990年左右，华裔物理学家牛谦、文小刚等人的工作使我们理解了量子霍尔效应边界的奇特拓扑性质。近十年来，包括傅亮、张首晟在内的科学家发现和预言了多种三维拓扑绝缘体。近八年来，顾正澄、文小刚，还有陈谐、刘正鑫揭示了Haldane磁性链的对称保护的拓扑内涵。这些工作使拓扑物态吸引了更多的关注。
　　特别是量子霍尔态，其中和陈数相关的拓扑性质，导致了它的边界是电阻为零的理想导体。电子在一个边界上都有相同的运动方向，好似行驶在畅通无阻的高速公路，不再遭遇普通导体内类似于跑车冲进歌舞厅菜市场的电阻。这样特别的的材料有望被用来解决电子产品发热电能浪费的问题。
　　还有一种新型拓扑物态――带非阿贝尔任意子的拓扑序，可能可以被用以实现量子计算机。总而言之，拓扑序拓扑物态在过去二十多年来主导了凝聚态物理的前沿研究，这些新型的拓扑材料和奇异性能，可能对下一代电子元件和量子计算机的发展有重要的潜在应用。
　　作为专业的物理科研人员，在这里我谨慎保守地措辞“可能”和“潜在应用”，因为这样划时代发现全新物态和物理机制的开拓性研究本身已经意义非常重大，无需再吹嘘应用前景。类似地，一百年前爱因斯坦提出激光概念，五六十年前激光得以实现。那时候的人们完全想象不到激光的“潜在应用”有多么广泛。在今天几乎任何角落，从引力波探测、芯片制造，到普通电脑光盘、互联网光纤，到哪怕超市里的扫条码，都离不开激光――这种“一反常态”的具有单色、单向性、大功率、相干性等等的全新光源。
　　三位获奖者是全新拓扑物态研究领域的理论先驱，在他们之前和之后的众多的数学家、理论物理学家和实验物理学家，都为这一领域的发展做出了卓越的贡献。是他们对未知世界无法阻挡的好奇心、孜孜不倦的探索和极其敏锐的洞察力让这一切成为可能。
　　参考资料
　　[1].诺奖官网公告
　　https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/press.html
　　[2].Nature: Physics of 2D exotic matter wins Nobel.
　　/news/physics-of-2d-exotic-matter-wins-nobel-1.20722
　　[3]. 果壳网：物理学奖：平面世界里的奇幻现象
　　/article/441761/
　　[4]. 拓扑为何
　　http://iscientists./article/342721
　　[5]. [轻松理解凝聚态中的拓扑|诺奖深度解析 （之一）
　　/n/348732
　　[6]. [轻松理解凝聚态中的拓扑|诺奖深度解析 （之二）
　　/9783911.shtml
　　[7]. Physics Today: The QuantumSpin Hall Effect and Topological Insulators
　　http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/63/1/10.3411
　　[8]. /vi/9NlqYr6-TpA/maxresdefault.jpg
　　满威宁，博士，本科毕业于吉林大学少年班，博士毕业于普林斯顿大学物理系，在普林斯顿大学和纽约大学从事博士后工作。现任加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身教授，从事软凝聚态物理、准晶、光子能隙、无序材料及非线性光学的研究。
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2016年诺贝尔物理学奖： 姗姗来迟 实至名归
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（原标题：2016年诺贝尔物理学奖： 姗姗来迟，实至名归）
2016年诺贝尔物理学奖授予了David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J. Michael Kosterlitz，以表彰他们在拓扑相变和物质的拓扑相方面的发现（for theoretical discoveries of topologicalphase transitions and topological phases of matter）。这三位科学家是凝聚态拓扑物态研究的先驱和开创者，他们在拓扑物态的早期开创性工作，打下了这个方向的基础。这三位获奖者都是英裔，在英国受教育，都是剑桥大学校友（诺奖校友最多的剑桥大学一下子又多了3个诺奖校友）。Thouless本科剑桥大学，是康奈尔大学Hans Bethe的学生，最初从事核多体研究，后来转向凝聚态物理。Kosterlitz本科剑桥大学，在牛津大学获博士学位。Haldane本科和博士学位都是剑桥大学的，笔者印象中他的导师是Sam Edwards。通常有限温度的连续相变在两维情况下是没有的，但是Thouless和Kosterlitz（当时在英国伯明翰大学）发现在二维可以通过涡旋（即所谓的拓扑缺陷，由拓扑旋绕数表征）发生一种拓扑相变，两点关联可以随距离作幂律衰减，而非指数衰减。这个理论后来首先得到Reppy等人的超流薄膜实验的检验，后来又在超导薄膜中得到验证，近年来又用冷原子得以实现。Thouless后来离开伯明翰到美国华盛顿大学工作。在那里，他与合作者（被称作TKNN）提出量子霍尔电导的量子化起源于拓扑，量子化的整数是陈省身数。后来Thouless还与当时的学生牛谦以及当时在该系高能物理组的吴咏时给出了另一种适用于有杂质情形的推导。吴老师曾告诉我，他们合作起来的一个原因是他当时与牛谦的办公室靠近。Haldane研究了一维磁体（自旋链）的拓扑性质，指出整数与非整数自旋完全不一样，前者有能隙（所谓的Haldane相），而后者没有。这首先在磁性材料CsNiCl3中得到验证。Haldane后来还做了拓扑绝缘体的前期工作，研究了一个纯理论模型，该模型里的一部分物理后来在拓扑绝缘体中反映出来。Haldane在这里的突破性思想在于发现量子霍尔效应中的磁场不是必须的。而这所谓反常量子霍尔效应最近被薛其坤组用拓扑绝缘体验证，另外Haldane最初的模型也用光晶格中的冷原子直接模拟出来。现在人们认识到，Haldane相、整数量子霍尔效应态和拓扑绝缘体都属于对称性保护的拓扑态。这与分数量子霍尔效应和自旋液体不一样。二者可以用量子纠缠的不同情况区分开来。目前，国际上拓扑物态研究方兴未艾，一个领头人是文小刚。他在与牛谦合作的一篇文章中首次提出拓扑序的概念。拓扑序后来成为拓扑量子计算的基础。Thouless是英国剑桥人，经常访问剑桥大学。我在剑桥工作的时候曾经和他进行过一次比较深入的讨论（关于某个拓扑输运问题），后来他回美国后还发邮件告诉我，他在飞机上对我的问题一路上思考了很多。这些获奖工作属于我前段时间预测的今年的颁奖方向（链接）。这三位科学家是拓扑绝缘体研究方向向前追溯的先驱。我当时预测时没有追溯前期工作，没先给他们“颁”个奖。我以前预测过Thouless和Kosterlitz获得诺贝尔奖。但今年他没有在我的预测榜单（Kane，Molenkamp和张首晟，预测2016物理诺奖授与拓扑绝缘体开创者）里面，因为如果说太多，就谈不上预测了。但也可以说，我的预测对了一半，方向确实是凝聚态里面的拓扑相。由于我的感觉Thouless等人的工作迟迟没有得奖，反而增加的获奖难度，所以今年没有预测他们获奖。
在诺贝尔物理奖宣布几十分钟之前，在果壳网科学人的直播中，我还说，今年给天体物理和粒子物理的可能性都很小，几乎不可能。这是因为去年获奖的中微子震荡，首先是粒子物理的贡献，其次跟天体物理也有密切的关系，因为解决了太阳中微子的问题。引力波是很大的成就，不可能今年获奖，还有另一个原因，即它是今年2月份才发表的。所以今年获奖的应该是天体物理和粒子物理之外的领域。我还提到，Berry相位是一个普遍的相位，不太具体，很难得奖。而提出Aharonov-Bohm相位的师生两位中的导师Bohm已去世。回答网友提问时，我还说，在凝聚态物理中，纳米碳管我觉得可能性很小，因为碳60和石墨烯都已经都得过奖了。记得2006年一位院士告诉我他收到诺奖提名邀请时，我建议提名Thouless。2007年颁奖前我曾提到过Thouless和Kosterlitz可能得奖。结果是给了巨磁阻。不久后，10月31日至11月3日，在新加坡召开的庆祝杨振宁先生85寿辰学术研讨会上，Thouless作了个关于凝聚态中的拓扑量子数的综述报告。会议期间我还与Thouless聊到当年的诺贝尔奖，并预祝他未来得奖。今年的奖，对他来说，是姗姗来迟（long overdued）。
本文来源：科学网
责任编辑：李德雄_NT2021
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分享至好友和朋友圈2016年诺贝尔物理学奖揭晓，奖金的一半颁给美国华盛顿大学的David J. Thouless，另一半由美国普林斯顿大学的F. Duncan M. Haldane与布朗大学的J. Michael Kosterlitz共享，“因其发现物质拓扑相与拓扑相转变方面的理论工作”。来源：nobelprize.org Wikipedia 等编译：丁家琦 韩冬 张士超奇异物质态背后的秘密今年的三位诺贝尔物理学奖得主采用先进的数学方法研究了物质的奇异状态，如超导体、超流体或磁性薄膜等等。他们的先驱性工作为搜寻物质的奇异新状态奠定了基础，或许能在未来的材料科学和电子学中找到用武之地。三位得主的核心成就，是他们在物理学中引入了拓扑的概念。拓扑（Topology）原本是一个数学概念，描述的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。20世纪70年代早期，Michael Kosterlitz和David Thouless颠覆了当时的理论，提出超导和超流性质的新模型，并解释了超导态可以在低温下出现，而在温度升高时消失这一转变（相变）的机制。20世纪80年代，Thouless在理论上解释了超薄层材料导电性呈整数式阶跃的特征，表明这些整数代表着材料的拓扑性质。而差不多在同一时间，Duncan发现了拓扑概念可以用来理解一维自旋链（一种一维线性材料）的磁学特性。超薄层材料导电性呈整数式阶跃的特征，可以用材料的拓扑性质来解释。图片来源：瑞典皇家科学院到现在，物理学家已经发现了多种多样的拓扑相，不仅存在于薄层和线状结构中，也存在于普通的三维材料中。在过去的10年里，这一领域增长迅速，成了凝聚态物理学中的一支生力军。拓扑材料的研究不仅能帮助我们更深入地了解物质的奇异结构和状态，也为电子学和超导体领域带来了新的应用，或许还能助力未来量子计算机的研发，而这一切都归功于今年这三位诺贝尔物理学奖得主的研究。人物小传David James Thouless生于1934年。他博士毕业于康奈尔大学，导师是著名物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe，也是1967年的诺奖得主），现于美国华盛顿大学任教。他在原子、电子与核子的扩展系统方面做出了很多理论上的贡献，研究领域包括超导现象、核物质特性，以及核内激发态集体运动等。Thouless是英国皇家学会会士、美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士，在获得诺奖之前还获得了1990年的沃尔夫奖、1993年的保罗·狄拉克奖等等。Frederick Duncan Michael Haldane出生于日，他是普林斯顿大学的尤金·希金斯教授。他对于凝聚态物理有许多基础性的贡献，比较知名的研究包括卢京格尔液体（Luttinger liquid），描述一维自旋链的理论，分数量子霍尔效应理论等等。他获得过诸多奖项和荣誉，包括：英国皇家学会会员，美国物理学会会士，狄拉克奖章等。John Michael Kosterlitz 是苏格兰人，现任布朗大学教授，其父Hans Walter Kosterlitz是一名生物化学家。他硕士毕业于剑桥大学，博士毕业于牛津大学，其后在伯明翰大学、康奈尔大学等地做过博士后。1974年就职于伯明翰大学，历任讲师、副教授，1982年任布朗大学教授。Kosterlitz 的研究方向主要是凝聚态理论，一维/二维物理，其中相变领域包括：随即体系、电子局域化、自旋玻璃态等；临界动力学包括：融化、凝固。在得到诺贝尔奖之前Kosterlitz还得过许多奖项：1981年，英国物理学会授予其麦克斯韦奖（Maxwell Medal and Prize），2000年，美国物理学会就其Kosterlitz-Thouless相变理论的成就授予其昂萨格奖（Lars Onsager Prize），1993年，Kosterlitz成为美国物理学会会士。阅读更多▽ 故事 ▽ 论文推荐· · · ▽ 论文导读· · 内容合作请联系这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们：·&关注科学进展与科研生态·&推荐重要前沿研究·&发布科研招聘·&推送学术讲座与会议预告。欢迎长按二维码关注。科研圈(keyanquan)　
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　　物理奖
　　这项物理研究，中国也走在前面！
　　2016年诺贝尔物理学奖于北京时间10月4日下午揭晓，大卫·索雷思、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特里兹3位科学家共享这一奖项。
　　对很多科学的门外汉来说，物理学的诺贝尔奖获得者，可能是他们所知道的科学家里最耳熟能详的一批人：爱因斯坦、玻尔、普朗克、居里夫人、伦琴、薛定谔、海森堡，等等。不过，获得物理学诺奖的成果，也可能是人们最费解的，至少比起生理学医学和人类健康息息相关的研究，物理学领域的名字听上去就十分拗口。
　　拓扑相变，看到这4个字，很多非科学人士恐怕会摸不到头脑。那么，拓扑相变究竟是什么，本次获物理学诺奖的研究对人类生活意味着什么，中国在这方面的研究又如何？中国青年报·中青在线记者采访了中科院物理研究所研究员翁红明。
　　来自诺奖官网的消息称，这3位2016年诺贝尔物理学奖获得者“打开了一个未知世界的大门”，在那个世界里，物质呈现奇怪的状态。这3位获奖者用一些高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态，如超导体、超流体或薄磁膜，在他们的研究下，人类对物质的探索才进入了一个新的阶段。
　　“这是一项具有开创性的工作。”翁红明如此评价这项研究，他告诉记者，如今十分热门的拓扑绝缘体、拓扑半金属等研究方向，都是在这项研究的基础上才得以开展。
　　翁红明告诉记者，一旦这项研究再往前发展，就可能实现低能耗的电子传输，有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题，这也将给未来的计算机发展带来翻天覆地的变化。
　　那么“拓扑相变”究竟是什么？可以把这个词拆开来看，拓扑、相变，而相变还可以拆为“相”和“变”。“相”通俗地说可以理解为物质的形态，比如固态、液态、气态，“变”是指变化，“相变”就是物质形态的变化，比如冰融化成水，就是发生了相变。
　　在科学界，主流的观点一度认为，对于很薄的物质，分子的随机运动会让它陷入无序之中，即不会存在“相变”。但在1970年代早期，迈克尔·科斯特里兹和大卫·索雷思推翻了这一观点，他们认为，在温度足够低的条件下，很薄的物质也是会发生“相变”的。
　　他们将自己证明的“相变”，称之为“拓扑相变”，因为这用到了拓扑学来描述。正如诺奖官网所说，3位获奖者将拓扑学概念应用到物理学，给他们后来的发现起到了决定性作用。
　　拓扑是一个数学上的名词，它研究的是那些“不连续”的特征，这并不容易理解。在当天公布诺奖的发布会上，诺奖官方的工作人员还举起了几块面包——没有洞的肉桂卷、一个洞的面包圈和两个洞的碱水面，充当科普工具，来解释究竟什么是“拓扑”——在拓扑上，这几种结构是完全不一样的，即洞的数量不同。
　　在1980年代，索雷思提出用tknn数来标识整数量子霍尔效应，即在一个非常薄的电导层中出现精确的整数霍尔电导的现象，他证明了这些整数在本质上是具备拓扑性质，且直接对应观测到的整数量子电导。
　　如今，人们已经知道拓扑相有很多种，它们不仅存在于薄层和线状物，还存在于普通的三维材料中，这就是所谓的新的奇异的世界。
　　当天接受媒体记者群访的邓肯·霍尔丹，恰巧是翁红明比较熟悉的一位，翁红明形容他是一位“非常聪明的”“天才级的”理论物理学家，做了很多开创性的工作。
　　霍尔丹还提到，他之所以走上研究拓扑相变这条路，最初的契机是为了“证明另一个理论是错的”。
　　在翁红明看来，一个研究人员，如果没有挑战现有理论的勇气，他的研究很可能构不成一个开拓性的发现，毕竟“不破，不立”。
　　令人欣喜的是，在物理学领域，尤其是拓扑研究领域，中国的表现并不落后。在翁红明看来，就是说中国物理学界在国际拓扑领域处于前沿位置、走在最前面，也并不为过。
　　就在去年，翁红明所在的中科院物理所方忠、戴希研究团队，就成功在TaAs晶体中发现了外尔费米子，这是这类特殊的电子第一次展现在科学家面前。这一研究入选了英国物理学会主办的《物理世界》（Physics World）公布“2015年十大突破”，同时也被美国物理学会的《物理》评为2015年八大亮点工作之一。
　　外尔费米子，就是拓扑半金属研究方向的一个重要课题。
　　在此之前的2013年，我国科研团队独立实现“量子反常霍尔效应”，也是拓扑研究领域的一个重要延伸课题。1988年，邓肯·霍尔丹——就是当天的诺奖获得者，他提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。
　　在2010年，我国的科研单位率先在该领域取得突破。中科院物理所方忠、戴希研究团队与斯坦福大学张首晟团队合作，从理论与材料设计上取得了突破，被《科学》杂志称作“实现量子反常霍尔效应的最佳体系”。2013年，这两个单位的研究人员和清华大学的团队，又在极低温输运测量装置上观测到了“量子反常霍尔效应”，至此完成了“量子反常霍尔效应”的实现，其研究结果于3月14日在线发表于美国《科学》杂志。
　　同一年的4月19日，中科院物理所和清华大学召开新闻发布会公布这项成果，当时，杨振宁毫不犹豫地将这一成果称为“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。
　　这项研究叫“量子霍尔效应”。在那以前，发现“整数量子霍尔效应”与“分数量子霍尔效应”的科学家分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。而整个“量子霍尔效应”家族里，至此仍未被发现的成员就是“量子反常霍尔效应”，也被认为是有望冲击诺贝尔奖的一个研究。
　　化学奖
　　诺贝尔化学奖，终于又颁给了化学家！
　　2016年诺贝尔奖的最后一个自然科学奖项——化学奖终于揭晓。让·皮埃尔·索维奇、詹姆斯·弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加，来自法国、美国、荷兰的3位科学家分享了这一殊荣。诺奖官方给出的获奖理由是他们“设计与合成了分子机器”。
　　一获知这一结果，中科院化学研究所副研究员、中科院青年创新促进会理事梁福鑫就在朋友圈转发了该奖项公布的消息，并写下一条评论：“回归化学！”
　　在他看来，这一次，诺贝尔化学奖，终于回归传统化学，颁给了纯化学家。
　　所谓“传统化学”，在梁福鑫看来，指的是分子合成，以及与分子性质有关的化学研究，然而在过去的10多年里，诺贝尔化学奖曾多次颁给生物、生物化学、生物物理、物理等领域的研究成果及相应的科学家，其中生物的占比最高。他分析，生物方面的研究更为热门，毕竟，对人类来说，生命健康的重要性是不言而喻的。
　　但他同时提到，搞化学的人，却不买这个账，“并不认为这些（生物研究）是真正的化学问题和成就”。
　　曾有人作过专门统计，进入21世纪，即从2001年开始，在过去已颁发的15年诺贝尔化学奖中，与生物相关的化学奖就达10次之多，而有机化学等传统意义上的化学研究只有5次。也因此，不少传统化学领域的研究者或调侃，或吐槽，每每化学奖“所颁非人”，便呼吁化学奖“正常一些”。
　　事实上，化学奖是众多诺贝尔奖中最重要的奖项之一，诺贝尔奖的发起人阿尔弗雷德·诺贝尔本人就是一名化学家，他的不少发明和成就，都是以化学知识为基础发展起来的。根据诺贝尔的遗愿，诺贝尔化学奖授予“在化学领域作出最重大发现或进展的人”。
　　如今，距离1901年诺贝尔奖首次颁发已经过去115年，也是诺贝尔化学奖获奖名单的第108次揭晓，这一回，诺贝尔化学奖终于“正常”了，颁给了“分子机器”，一个“超分子化学”领域的命题。
　　那么，获得今年诺贝尔化学奖的“分子机器”究竟是什么？这要从分子说起，分子，人们并不陌生，它是构成物质的一种基本粒子。
　　而鲜为人知的是，分子本身是具有特定结构的，能够相互作用，能够识别，甚至能够“动”起来。当然，要让它动起来，需要研发一种机器——3位化学诺奖获得者所做出来的“分子机器”。
　　根据诺奖官网的介绍，这是“世界上最小的机器”，包括一部微型“起重机”，几块人工“肌肉”和微型“马达”。
　　它和历史上的电动马达有着很大的相似之处。19世纪30年代，电动马达问世，然而，当时的科学家只能看到，电动马达是一堆旋转曲柄和轮子，却没意识到这些东西将导致电车、洗衣机、风扇以及食品加工机的产生，并彻底改变了世界。
　　分子机器则被认为很有可能将在新材料、传感器以及储能系统的研发中得到应用。梁福鑫说，对“分子机器”乃至对整个超分子领域继续深入研究，有望实现未来机械的小尺寸化，例如分子机器人、高密度信息存储等。
　　回归到当天的主角，让·皮埃尔·索维奇、詹姆斯·弗雷泽·斯托达特、伯纳德·费林加，他们是如何将分子机器造出来的？
　　第一步是将两个环状分子连接在一起。1983年，索维奇实现了这一步，他成功地将两个环状分子连接在一起，形成了一条特殊的链，即双环化合物，并命名其为“索烃”。
　　一般来说，一个能够执行任务的机器，必须包含可以相对移动的部分，“索烃”正好满足了这个条件。
　　接下来是第二步，利用一个分子推动另一个分子运动。斯托达特实现了这一点，1991年，他成功合成出了“轮烷”，即将一个环形分子套在一个线性分子上，如此，环形分子就能以线性分子为轴，进行运动。
　　在此基础上，他设计出了分子“起重机”、分子“肌肉”和分子计算芯片。
　　第三步是设计分子马达。费林加就是第一个研究出分子马达的人。1999年，他研制出一个分子旋转叶片，能够朝一个方向持续旋转——这个东西就是分子马达。
　　在这个基础上，他成功让一个玻璃圆筒开始旋转，要知道，这是一个比分子马达大上1万倍的圆筒。后来，他又设计了一辆纳米小车。至此，他将分子由稳态变为能够运动的状态，并初步实现控制。
　　来自诺奖官网的消息称，这3位科学家相当于开创了利用超分子自组装的领域，将分子体系带出了平衡的僵局，带进了充满能量的状态，在这个状态中分子的运动可以被控制。
　　而这一切，仅仅就是靠那个“世界上最小的机器”。它，只有人类头发的千分之一那么大。
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