财新传媒
位置:博客 > 于达维 > 错过2016 张首晟诺奖还有戏么?

错过2016 张首晟诺奖还有戏么?

虽然已经好几年成为诺奖预测中的热门人选,张首晟今年还是没有拿到。但是更让人灰心的是,这届诺贝尔物理奖并没有颁发给探测到引力波的美国团队,而是给了与张首晟同处一个领域的三位英籍美国人。而这三个人,正是这个领域的开创者。

北京时间10月4日下午5点45分,诺贝尔委员会宣布,将2016年诺贝尔物理学奖授予大卫·J·索利斯(David J. Thouless),F·邓肯·M·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和J·迈克尔·科斯特利兹(J. Michael Kosterlitz),以表彰他们在拓扑相变和拓扑相物质研究领域做出的重要理论发现。

看到这次的获奖结果,许多科学家扎堆的微信群都一下子懵住了。很少有人知道,这个拓扑相变究竟是什么东西,不久才有人反应过来,这不就是张首晟提出的拓扑绝缘体的理论基础么。

由于张首晟在2006年提出基于“量子自旋霍尔效应”的“拓扑绝缘体”理论,次年就得到德国团队的实验证实,并因此获得“欧洲物理奖”等三大顶级奖项。利用这种效应,科学家可能突破摩尔定律的极限,从而引发未来电子技术的新一轮革命。

张首晟曾经用“集市”和“高速公路”为例讲述该成果应用和意义:电子在芯片中移动就像跑车开进集市中,再怎么高档也跑不快;但若在高速公路上就可畅行无阻。

这也是汤森路透把张首晟当成诺奖热门人选的原因。但是今年诺贝尔物理奖的三位获奖者,恰恰是最初把拓扑这一原本是数学上的概念,应用在物理学上的三个人。

拓扑学(topology)的原意是地形学,后来在数学上形容各种“空间”在连续性的变化下不变的性质,也就是它看重的是各种结构之间的相互关系,而不是外在的形状,就算是你把一根油条拧成麻花,有一些拓扑性质还是不变的。

中国数学家陈省身就是这一领域的奠基者之一,是他建立了代数拓扑和微分几何的联系,现在人们还把拓扑不变量成为“陈数”。

而这次获奖的三位科学家,就把这种概念引入了物理领域。上世纪70年代,迈克尔·科斯特利兹和大卫·索利斯颠覆了人们都普遍认为超导态和超流体态不可能出现在薄层(二维)材料中的观念,不仅展示了超导态在低温下的可能性,同时还解释了超导态在温度升高时的消失机理和相变机制。

到了上世界80年代,索利斯有解释了先前实验中的遗留问题——薄层材料中测量所得的电导率都是精确的整数倍关系。他展示了这些整数倍电导率是这些材料天生的拓扑性质。几乎在同时,邓肯·霍尔丹应用了拓扑概念来理解某些材料中的“小磁铁链”性质。

是他们三位的开创性工作,让人们知道材料还有很多种拓扑相,而这种物质内部的“相互关系”,将在很大程度上决定它的外在性质。在过去的10年中,这个领域发展迅速,拓扑材料极有可能成为下一代全新的电子,超导材料,也可以应用于未来的量子计算机。

诺贝尔奖发布会主持人在介绍今年的诺奖工作时说,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。

而张首晟就是站在这个领域最前沿的科学家之一。甚至可以这样说,正是张首晟等人在拓扑绝缘体的理论和实验方面做出的开创性工作,当然也包括实验证实量子反常霍尔效应的清华大学的薛其坤教授的工作,才让三位获奖者的理论获得了证实。张首晟所发表的论文,也被列在了诺贝尔奖颁奖词的参考文献中。

其实张首晟在这一领域的地位,也是公认的。2012年,他就曾经同这次获得诺贝尔奖的邓肯·霍尔丹以及宾州大学查尔斯·凯恩,共同获得国际理论物理学领域最高奖“狄拉克奖”。在当时,张首晟已经囊括了国际物理学界的三大顶级奖项,可以说就差一个诺贝尔奖就是大满贯了。

这次的三位获奖者,则进一步证明了诺奖特别关注开创性原创性的研究。但是我们转念一想,诺贝尔奖总不会给同一个领域发两次奖吧,就算是发,也不会那么快吧。虽然量子霍尔效应的研究就曾经分别获得1985年和1998年两度诺贝尔物理学奖,起码也隔了13年。

当然张首晟也不必着急,想想这次获奖的三位科学家,出成果的时候还要追溯到上世纪七八十年代,看似没有多么遥远,其实也已经接近半个世纪。

所以还是可以等的,正如薛其坤所说,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的。

而张双南的态度则比较乐观,“如果凝聚态物理学家获奖,那么中国的物理学家未来获得诺奖的可能性是非常大了。”

那样的话就不光是张首晟了,薛其坤也要算上。

不过最好不要再等半个世纪。

推荐 6