北京时间10月4日下午5点45分，2016年诺贝尔物理学奖揭晓，戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨三位英美科学家获奖，获奖理由是“拓扑相变和拓扑相物质的理论发现”。
尽管三位获奖者表示“有点晕”、“努力接受”，但物理学界认为他们“实至名归”，他们利用先进的数学方法研究了物质的一些特殊相或状态，由于他们的开创性工作，材料科学和电子学的未来应用前景充满希望。
发现新的物质形态
在诺贝尔奖揭晓之前，复旦大学物理系教授施宇在其博客上预测，该奖可能授予拓扑学领域的研究。
“不出所料，这次获奖的研究是关于拓扑相变和拓扑相材料的研究。”施宇在接受《中国科学报》采访时说，“拓扑学是数学的一个分支，但今年获奖的研究是关于一些物理性质的。”
拓扑学描述的是物体在拉伸、扭曲或变形时不会发生任何变化的属性，而不会被撕裂。拓扑学的目标是使用孔的数量等基本特征来描述形状和结构。因此，从拓扑学的角度来说，杯子和百吉饼是一样的，因为它们都只有一个开口，而椒盐卷饼则不同中国现有几个物理学家网校头条，因为它有两个开口。
“这三人最重要的贡献，就是把拓扑学的概念运用到了物理学中。”中国科学院物理研究所所长王玉鹏在接受《中国科学报》记者采访时说。
20世纪70年代初，迈克尔·科斯特利茨和戴维·索利斯推翻了超导和超流体无法在薄层中发生的理论，证明了超导可以在低温下发生，并解释了超导在高温下发生的机制——相变。
20 世纪 80 年代后期，大卫·索利斯 (David ) 成功解释了之前的一项实验，该实验中超薄导电层的电导率可以精确到整数。他表明这些整数本质上是拓扑的。与此同时，邓肯·霍尔丹 ( ) 发现拓扑可用于了解某些材料中小磁体链的性质。
由于大卫·索利斯参与了这两个项目，因此他获得了一半的奖金，而邓肯·哈尔丹和迈克尔·科斯特利茨分享了另一半。
“他们发现了一种新的物质形态——拓扑态。普通人能看到的物质状态有三种：气态、液态、固态。更深层次上，物质状态有很多种分类。”王宇鹏解释道，“比如电子导电时是流动的，所以从物理角度上可以认为是液体。”
推动凝聚态物理的发展
今年的诺贝尔物理学奖得主打开了一扇通往未知世界的大门，他们的发现为人们从理论上破解物质的奥秘带来了突破，也为培育新材料开辟了新视角。
“他们三人做了开创性的工作。”王宇鹏说，“拓扑绝缘体、热电子半金属，以及近年来很火的量子反常霍尔效应，都是物质的拓扑态。”
已知的拓扑相有很多，它们不仅存在于薄层和线中，也存在于普通的三维材料中。近十几年来，该领域的研究推动了凝聚态物理研究的前沿发展。人们不仅希望拓扑材料能应用于新一代电子器件和超导体，而且还希望它能应用于未来的量子计算机。
“在新材料、量子计算、信息科学等方面已经有很多应用。”石宇告诉记者，量子是一种非常敏感、容易受到影响的物质，如果与拓扑物质结合起来，就会获得非常稳定的状态，这对研究有很大帮助。
量子霍尔效应曾两次获得诺贝尔物理学奖：1980年，德国科学家冯·克利青发现“整数量子霍尔效应”，并于1985年获得诺贝尔物理学奖；1982年，美籍华裔物理学家崔西凯和美国物理学家施泰默发现“分数量子霍尔效应”，不久后被美国物理学家劳克林解释。三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。
“此次三位获奖者的工作是对整个拓扑材料状态的深刻理解，而不仅限于量子霍尔效应，”王宇鹏说，“真正得到了物理学家的认可中国现有几个物理学家，并在物质世界中得以实现。”
时至今日，许多研究人员仍在慢慢揭开今年三位获奖者发现的这个奇异世界中物质的秘密。
中国拓扑材料研究实力
从1973年到现在，已经进行了近40年的研究，特别是近年来，拓扑相关的研究非常火爆。之前为什么没有获奖呢？中科院物理研究所研究员曹泽先在接受《中国科学报》记者采访时表示，这项工作意义重大，但之前只是理论研究。近年来真空技术和材料研究赶上来之后，人们才能够找到具有拓扑性质的东西，这又证明了之前研究的伟大。
“我们国家从上世纪七八十年代就开始进行基础理论研究，后来对拓扑绝缘体热潮做出了非常重要的贡献。”王玉鹏说。
2010年，中科院物理所方忠、戴曦团队与张首盛教授等合作，在理论和材料设计上取得突破，提出Cr或Fe磁性离子掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。2013年，中科院物理所何克、吕莉、马旭存、王莉莉、方忠、戴曦等团队与清华大学物理系薛其坤、张首盛、王亚宇、陈曦、贾金峰等团队合作攻关，终于在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中成功观测到量子反常霍尔效应。
理论上预言量子反常霍尔效应的人是今年的诺贝尔奖获得者之一邓肯·霍尔丹。1988年，他提出可能存在一种不需要外界磁场的量子霍尔效应，但多年来他一直没能找到一种材料体系或具体的物理方法来实现这种特殊的量子效应。
此外，中国科学家预言了三维拓扑绝缘体并很快在实验上发现，进而推动了世界范围内拓扑绝缘体的研究热潮；首次预言并观测到外尔费米子；量子计算机的研究取得进展……这些都是中国在拓扑物质态研究方面的优势。
“过去七八年，中国在拓扑物态研究方面在国际上做出了令人瞩目的贡献。”王玉鹏说。
///607/真中关村在线///607/北京时间10月4日下午5点45分，2016年诺贝尔物理学奖揭晓，三位英美科学家大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨获奖，获奖理由是“拓扑相变和拓扑相物质的理论发现”。虽然三位获奖者表示“有点晕”、“努力接受”，但在物理学界眼中，他们“实至名归”……