戴維·索利斯（1934—2019）

編譯 之涵

發現物質拓撲相的理論物理學家，2016年獲得諾貝爾物理學獎。

戴維·索利斯

戴維·索利斯（David J.Thouless）是一位理論物理學家，他最為人所知的成就是對系統各組成部分重新排列的驅動因素的研究，如晶體中的原子或磁鐵中與電子相關的自旋。這些“排列現象”是相變（如水變成冰）的基礎。

20世紀70年代初，索利斯和他的同事邁克爾·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）預測了一種特殊的排列方式。自那以后，科學家在超流體、超導體、磁體和其他二維量子系統中都觀察到了科斯特利茨-索利斯躍遷。這一貢獻使索利斯和科斯特利茨與另一位理論物理學家鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）共同分享了2016年的諾貝爾物理學獎。

索利斯是一位見解深刻而獨到的思想家，在核物質、統計力學和凝聚態物理等領域都做出了重大貢獻。他的研究主要是拓撲學領域，以及拓撲學如何在系統各組成部分中實現非凡構型。在過去的十年中，人們認識到許多材料中電子的排列具有某些拓撲特征，如旋渦和紐結，這引起了人們對物質拓撲狀態的興趣。研究人員希望將這些技術應用于電子領域，如用于提高計算的能源效率。

索利斯1934年出生于英國，其父母均為學者：母親教授英國文學，父親教授心理學。索利斯在小時候便展現出了數學天賦，父親培養了他獨立思考的能力，讓他對事物充滿好奇心——他的職業生涯也因此與眾不同。

索利斯曾獲溫徹斯特學院的獎學金，畢業后進入劍橋大學學習自然科學。在那里，他認識了未來的諾貝爾獎得主漢斯·貝特（Hans Bethe）。貝特邀請他到康奈爾大學攻讀博士學位。于是，索利斯在1956年前往美國，在康奈爾大學開展研究工作，致力于將攝動法應用于核物質理論。

接著，索利斯進入加州大學伯克利分校的勞倫斯輻射實驗室工作。1959年，索利斯回到英國伯明翰大學做博士后，研究原子核的集體運動。他在導師魯道夫·佩爾斯（Rudolf Peierls）的指導下工作。得益于自己的開放態度和廣闊人脈，佩爾斯打造了一個世界一流的數學物理系。十年后，索利斯在伯明翰完成了他最著名的工作。

1965年索利斯被伯明翰大學任命為教授。在此期間，他的研究興趣轉向統計力學——尤其是相變研究，這一領域當時正在經歷一場革命。典型的相變可能涉及磁性材料在某一臨界溫度以上轉變為非磁性狀態。然而，在一類二維系統（或稱為連續自旋系統）中出現了一個難題。一個嚴格縝密的定理排除了有序磁性相在低溫下的穩定性，然而，各種理論和實驗研究都表明存在相變。

這種差異如何解決？答案在于旋渦的存在，這是此前在很大程度上被忽視的拓撲激發。科斯特利茨和索利斯發現，在低溫條件下存在一個拓撲有序的相，其中相互作用的“旋渦對”在熱力學上是穩定的。在更高的溫度條件下，這些渦旋會彼此脫離，并最終被系統的無序狀態所破壞。其他研究小組能夠通過實驗證明這種科斯特利茨-索利斯躍遷。

從1980年起，索利斯任教于華盛頓大學，直至退休。在另一項深入研究中，索利斯幫助揭示了量子霍爾效應的拓撲起源，即低溫下超薄導電層中電導會逐步增加。這項工作建立了概念框架，最終促成拓撲絕緣體的發現。

事實上，索利斯1998年出版的《非相對論物理學中的拓撲量子數》一書以其先見之明而聞名，該書匯集了他在整個職業生涯中感興趣的許多課題。該書出版20多年來，它比以往任何時候都更符合我們現代對物質拓撲階段的理解。

在索利斯看來，自己性格內向，因此更愿意與同事合作而不是領導一個團隊。他觀點鮮明，在辯論中思維跳躍性極大，因此許多人直到幾個小時后才恍然大悟。但那些有幸與其一起共事的人，都對他印象深刻，這不僅是因為他具有紳士風度，而且還因為他在科學問題上的獨到見解。