【2016諾貝爾獎】精準詮釋物質相變 三學者合得物理學獎

李佳恒 2016年10月04日 18:04:00

2016年諾貝爾物理學獎得主4日揭曉,由英國裔學者索勒思(David J. Thouless)、霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)及科斯特里茲(J. Michael Kosterlitz)共享殊榮,以表彰他們對「物質拓樸相變與拓樸相」理論的貢獻。

 

 

800萬瑞典克朗(約新台幣3040萬元)獎金由索勒思獨得1/2,霍爾丹及科斯特里茲平分1/2。

 

瑞典皇家科學院(Royal Swedish Academy of Sciences)表示,3位大師的研究為世人敞開了一道通往未知世界的大門,釐清物質的各種奇特狀態。他們運用先進的數學方法,研究物質的奇特「相」(phase,即狀態),例如超導體、超流體、磁性薄膜(thin magnetic films),未來可望運用於材料科學及電子學。

 

 

索勒思等人目前皆在美國任教。索勒思現年82歲,在康乃爾大學(Cornell University)取得博士學位,曾在英國伯明罕大學(Birmingham University)任教,自1980年起在華盛頓大學(University of Washington)任教。

 

霍爾丹現年65歲,英國劍橋大學(Cambridge University)博士,現在普林斯頓大學(Princeton University)任教。得知自己獲獎,霍爾丹感到「既驚訝又欣慰」,他形容,這些發現都是偶然獲得的。

 

科斯特里茲現年74歲,英國牛津大學(Oxford University)博士,自1982年起在布朗大學(Brown University)任教。科斯特里茲1980年獲得英國物理學會(IOP)頒發的麥克斯威爾獎(Maxwell Medal and Prize),1993年成為美國物理學會(APS)成員。他也是德國猶太移民、英國生物學家漢斯‧科斯特里茲(Hans Walter Kosterlitz)之子。

 

接到通知得獎的電話時,科斯特里茲人在停車場,他非常驚訝,笑稱至今仍試著接受事實。科斯特里茲說:「全然無知其實是種優勢,(當時)我沒有任何先入為主的觀念。我那時又傻又年輕,只知道埋頭苦幹。」

 

諾貝爾委員會的教授漢森(Thors Hans Hansson)解釋何謂拓樸學。(美聯社)

 

將拓樸學導入物理研究

 

「拓樸」是一種數學方法,是幾何學的重要分支,旨在研究幾何圖形或空間在連續變化下維持不變的性質。3位大師將拓樸學導入物理研究,是研究成果如此卓越的關鍵。

 

1970年代初,學界普遍認為超導性(superconductivity)與超流體(suprafluidity)不可能發生在二維平面中,但科斯特里茲與索勒思推翻學界認知,解釋「超導性在低溫中可發生上述現象,且在高溫中即消失」的相變機制。

 

到了1980年代,索勒思解釋了:在極薄導電層中,導電性(conductance)呈現整數的階級,與這些整數的拓樸特性。同時,霍爾丹發現,可以用拓樸學的概念解釋某些物質中的微小磁鏈。

 

目前已知許多拓樸相,存在於二維平面及部分常見的三維物質中。近十幾年來,凝態物理因為這些拓樸相而蓬勃發展,不但可用來解釋電學及超導體,也可運用於未來的量子電腦。而以上輝煌的研究成果,都是奠基於索勒思等人的研究,讓越來越多凝態物理學家得以繼續探索物質的秘密。

 

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