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2016年諾貝爾物理獎介紹

  撰文者:  2016-10-04
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諾貝爾奬委員會於今天10月4日宣布華盛頓大學的David Thouless、布朗大學的Michael Kosterlitz和普林斯頓大學的Duncan Haldane三人,因為他們在拓撲相變(Topological Phase Transition) 與拓撲物質相(Topological Phases of Matter) 的理論研究獲頒2016年度諾貝爾物理奬。其中Duncan Haldane、Michael Kosterlitz分享一半奬金,另一半則由David Thouless獲得。

(from Nobelprize.org)

三位得奬者利用數學中的拓撲學(Topology) 概念去解釋物質在超低溫、超導的情形,是凝態物理學(Condensed Matter Physics) 的一個重要課題。

David Thouless和Michael Kosterlitz在1970年代初開始研究二維平面物質的相變。在此之前,物理學界普遍認為二維平面相不存在規律,因此不可能發生相變。Thouless和Kosterlitz的研究顯示二維平面存在規律性的相,且會隨溫度升高而變換。這個發現成為了二十世紀凝態物理學最重要的發現,被稱之為KT-變換。

其後,David Thouless與Duncan Haldane獨立地發現在低溫與強磁場的情況下,Thouless和Kosterlitz的理論未能解釋所有現象,例如量子霍爾現象中的導電率為何是量子化的。80年代,Thouless使用拓撲學成功描述了量子霍爾現象。在1982年,Duncan Haldane也發現一維物質鏈的磁性可以用拓撲學去解釋。

他們三人的發現為凝態物理學開創了新的研究方向。之後,凝態物理學家陸續發現了其他不同拓撲相的物質,而且並不限於一維鏈和二維平面物質,在三維一般物質中也有發現。拓撲物質在未來可望被應於電子設備、超導體,甚至量子電腦當中。

科學研究為人類帶來知識之餘,亦往往帶來更多的未解難題和驚喜。Duncan Haldane在諾貝爾奬記者會受訪時說:「令人意想不到的是,量子力學比我們想象中的更加豐富。」科學的吸引之處,也許就在於發現未知事物的好奇心。


報導:余海峯博士 (現任馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員、費米伽瑪射線太空望遠鏡伽瑪射線暴監察器科研團隊成員。)



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