2016年诺贝尔物理学奖与华人科学家张首晟擦肩而过

　　来源：知识分子

　　10月4日，“诺贝尔奖周”迎来了第二天，诺贝尔物理学奖公布其获奖名单，戴维·索利斯（David J。 Thouless）、邓肯·霍尔丹（F。 Duncan M。 Haldane）和迈克尔·科斯特利兹（J。 Michael Kosterlitz）获诺贝尔物理学奖。

　　其获奖理由为“在拓扑相变以及拓扑材料方面的理论发现”。

　　“这是一次伟大的颁奖。Kosterlitz - Thouless相变是拓扑里面一个经典的案例，它影响了物理学中拓扑领域的发展进程，霍尔丹在这一领域的贡献与二人相当。我由衷地为索利斯获奖而感到高兴，他是一位理论物理学领域的伟大学者。” 《自然·物理》（Nature Physics）编辑Andrea Taroni 在接受《卫报》采访时说。

　　关于此次诺贝尔物理学奖，《知识分子》联系了国内几位在科研一线的物理学家，请他们解读此次物理学奖。

　　清华大学高等研究院研究员汪忠： 三人获奖实至名归

　　拓扑物态目前是一个内容丰富而且蓬勃发展的领域，作为先驱者，索利斯， 霍尔丹， 科斯特利兹获奖是名至实归。

　　索利斯和他的合作者最早采用“陈数” 来理解量子霍尔效应（陈数是拓扑不变量的一个例子，“陈”指华人数学家陈省身），霍尔丹的量子反常霍尔效应模型则以简单巧妙的方式实现了非零陈数。值得一提的是，霍尔丹的这个模型在提出之后多年里没有得到足够，很多人认为它只是一个“理论玩具”。直到近些年，拓扑绝缘体在理论和实验上相继被发现后，霍尔丹的模型才终于在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中得到了实验证实（这个实验是清华大学和物理所的合作工作）。拓扑绝缘体和其他拓扑材料的研究可以说是这个领域的”文艺复兴“，

　　因此，在拓扑绝缘体的理论和实验方面做出开创性工作的Charles L。 Kane， 张首晟，Laurens W。 Molenkamp等人也是未来诺贝尔物理学奖的重要候选人。清华大学的薛其坤教授作为量子反常霍尔效应的实验证实者，未来也有获奖机会。

　　清华大学教授薛其坤：这一领域再获诺奖的可能性依然存在

　　薛其坤在接受《知识分子》采访时表示，三位物理学家作出了奠基性的理论工作，是对物质状态分类及其转变理论上的重大突破，获得诺贝尔奖实至名归。

　　戴维·索利斯的重要工作是首次从拓扑的视角对“整数量子霍尔效应”现象作出了深刻理解。1980年，德国科学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现的“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖。

　　薛其坤表示，在三位诺奖得主关于物质的拓扑相变和拓扑相的奠基性理论工作之后，这一领域因2005年包括华裔著名物理学家张首晟在内的科学家发现三维拓扑绝缘体材料，得以彻底发展起来了，使人们进一步认识到这一领域的重要性。

　　在拓扑绝缘体的突破性工作之后，中国科学家作出了很多重要工作，包括量子反常霍尔效应的实验发现和外尔半金属的发展，在拓扑材料的合成、基本性质表征以及物理效应的发现等方面，中国物理学家已经处于国际第一梯队。

　　对于在理论工作之外，这一领域的实验发现是否仍有可能获得诺贝尔奖？薛其坤表示很难预言，但他认为，正如主持人在介绍今年的诺奖工作时所说的，这一领域在拓扑量子计算，低能耗电子学方面应用前景巨大，有可能解决电子器件的发热问题，量子计算机的发展也因此成为可能。这一领域如果做出对人类有意义的工作，拿奖的可能性还是存在。

　　中科院物理所研究员翁红明：华人科学家张首晟也做出了重要贡献

　　根据我现在研究的方向来看，首先戴维·索利斯在1981年提出了我们现在熟知的整数拓扑不变量TKNN Number，也叫Chern Number，这也是第一个被提出用来标志整数量量子霍尔效应态的拓扑数，同时也是第一个根据Berry曲率公式定义TKNN number的科学家。

　　而霍尔丹则是第一个提出在晶格体系里面可以实现整数量子霍尔效应态而不需要外加强磁场的科学家。

　　可以说，今年获得诺贝尔奖的这三位科学家真正地开创了拓扑理论这个研究方向。当然，作为从事拓扑绝缘体方向的研究者，我很希望这个方向能受到大家的。此外，不仅是今天获奖的这三位科学家，其他科学家的工作值得赞扬，例如2005-2007年，Kane、Mele和张首晟三位开创了拓扑绝缘体方向，张首晟教授在这方向做出了极大的贡献：他是第一位理论预言并验证了量子自旋霍尔效应的科学家。

　　所以在未来，拓扑绝缘体如果能真正的将量子霍尔效应应用起来、真正能够实现它的功能的话，诺贝尔奖或者会再次花落到拓扑方向，张首晟教授或许也会获得诺贝尔奖。同理，薛其坤院士的工作也验证了科学家们寻找百年的物理效应，这都是诺奖级的工作。

　　复旦大学教授施郁：他们是凝聚态拓扑物态研究的鼻祖

　　实际上，这是我今年预测的方向。这三位科学家是拓扑绝缘体研究向前追溯的先驱，我当时预测没有拐个弯，没给他们先“颁”个奖，他们是凝聚态拓扑物态研究的鼻祖。

　　通常连续相变在两维情况下是没有的，但是索利斯和科斯特利兹发现可以有一种拓扑相变。索利斯与合作者还提出量子霍尔电导是拓扑数，即陈省身数。霍尔丹研究了一维磁体的拓朴性质，后来还做了拓扑绝缘体的前期工作，研究了一个模型，不是对应了一个实际的材料，但是这个模型里的物理后来在拓扑绝缘体中反应出来。这三位科学家在拓扑相前期的工作，打下了这个方向的基础。

　　索利斯是美国德克萨斯大学华人学者牛谦的导师，在索利斯的得奖工作中，有篇文章的合作者是牛谦和吴咏时。索利斯是英国剑桥人，他有一段时间读书和工作都是在英国，后来才转到美国。我在剑桥工作的时候曾因工作和他进行过比较深入的讨论，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。

　　我以前预测过索利斯和科斯特利兹获得诺贝尔奖，但今年他没有在我的预测榜单里面，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，凝聚态里面的拓扑相，由于我的感觉他们的工作早该得而没得，所以当时没有预测他们获奖。

　　张首晟主要获奖经历

　　1992年，获全球华人物理学会“杰出青年科学家奖”。

　　2007年，获美国“古根海姆学者奖”。

　　2007年，张首晟领导的研究团队提出的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。

　　2009年，入选国家“千人计划”。

　　2009年，获由德国亚历山大·洪堡基金会设立的“洪堡研究学者奖”。

　　2010年7月，获德国“古登堡研究奖”。

　　2010年9月，因在“量子自旋霍尔效应”理论预言和实验观测领域的开创性贡献，获欧洲物理学会颁发的“欧洲物理奖”，成为首位获得该奖项的华人科学家。

　　2011年9月，获香港求是科技基金会“求是杰出科学家奖”。

　　2012年，获美国物理学会颁发的凝聚态物理最高奖——奥利弗·巴克利奖。

　　2012年8月，获联合国教科文组织下属的国际理论物理学中心设立的国际理论物理学领域最高奖——“狄拉克奖”。

　　2013年3月，获“尤里基础物理学奖前沿奖”。

　　2014年11月3日，因在拓扑绝缘体研究领域的开创性贡献，与两位科学家Kane和Mele一起分享了2014年度“富兰克林物理奖”。