2025年诺贝尔物理学奖将于10月7日揭晓。已经长达8年未获得诺奖的凝聚态物理领域呼声颇高，其中拓扑绝缘体是最具竞争力的方向之一。它最反直觉的地方在于，既是“绝缘体”又是“导体”。
已故杰出华人物理学家张首晟曾对此有过一个精妙的比喻——电子运动本来杂乱无章，拓扑绝缘体就像为电子建了一条高速公路，当电子各行其道，能量损耗就大大降低。
【数学与物理结合，催生革命性发现】
2005年，美国宾夕法尼亚大学的查尔斯・凯恩和尤金・梅莱，在研究石墨烯时揭示了量子自旋霍尔效应的可能性，并提出了一个石破天惊的预言——存在一种全新的物质状态，其内部是绝缘体，但表面却是受拓扑保护的导电状态。这为此后拓扑绝缘体概念的诞生奠定了至关重要的基石。
拓扑是数学的一个核心分支，也是现代物理学、材料科学等领域的关键概念。它不关心物体“长得什么样”，只关心 “如何连接”。当这种数学思想与物理学相结合时，就催生了像拓扑绝缘体这样的革命性发现。
然而，这两位科学家使用的石墨烯模型在现实中几乎无法实现。
张首晟团队在2006年独立地提出了量子自旋霍尔效应理论。最关键的是，他们在国际权威学术期刊《科学》发表的这篇论文，精准地预言了一种能够在实验室中实现量子自旋霍尔效应的材料体系——碲化汞/碲化镉半导体量子阱。
这相当于为实验物理学家提供了一个明确的“寻宝图”。2007年，德国维尔茨堡大学教授劳伦斯·莫伦坎普研究组，通过实验证实了张首晟团队的这一理论预言，为拓扑绝缘体提供了第一个无可争议的实验证据。同年，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。
如果说普通导电像“一群人在拥挤的广场走路”，量子自旋霍尔效应就像“两列人在操场边缘的跑道上跑步”，一列顺时针、一列逆时针。这一表面导电特性对量子计算、低功耗电子等技术有重要价值。
【张首晟与诺奖失之交臂】
在很多人看来，拓扑绝缘体在某一天获得诺奖，几乎没有任何悬念，问题只在于何时官宣。而从理论预言到实验验证，再到如今越来越多拓扑绝缘体材料被发现，这对于诺奖而言也是一个堪称完美的叙事。
由于在拓扑绝缘体领域做出的独特关键贡献，张首晟拿下了许多大奖——欧洲物理奖、美国物理学会奥利弗·巴克利奖、国际理论物理学中心狄拉克奖章、基础物理学奖前沿奖和富兰克林物理奖。2014年，张首晟还出现在了汤森路透集团的诺贝尔奖预测名单上。
不夸张地说，张首晟就差一个诺贝尔奖了。对此，诺贝尔物理学奖得主杨振宁曾表示，他相信张首晟获得诺奖只是时间问题。
然而，这一切都在2018年随着张首晟的不幸离世戛然而止。由于诺贝尔奖不追授给已故者，张首晟与其失之交臂。
但有一点可以明确，如果拓扑绝缘体明天获得诺奖，张首晟的贡献不会被忘记。在人类科学史上，正是有了科学家们的不懈努力，人类对世界的认知边界才得以持续被拓展。
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