ダンカン・ハルデーン：信じられるまで30年待った理論家

彼は1980年代に、凝縮系物理学の従来の通説を根本から覆す研究を発表したが、出版にこぎ着けることさえ困難であった。30年後、他の科学者たちが彼が紙の上でモデル化しただけの奇妙な物質の状態を示す材料を最終的に構築したとき、ダンカン・ハルデーンはストックホルムからの電話を受けた。「私の仕事は一種の『眠れる資産』でした」と、彼は後に特徴的な控えめな表現で語った。「私の仕事が他の人たちによって拡張されるまで、それほど大きな問題にはなりませんでした」。

物理学者の珍しい出自

フレデリック・ダンカン・マイケル・ハルデーン (Frederick Duncan Michael Haldane) は1951年9月14日、ロンドンで生まれた。父親はイギリス陸軍の医師で、第二次世界大戦後にユーゴスラビアとオーストリアの国境付近に駐留していた際、ハルデーンの母親であるスロベニア人の医学生リュドミラ・レンコ (Ljudmila Renko) と出会った。この背景により、ハルデーンは後にイギリスとスロベニアの二重国籍を取得し、後者は2019年に付与された。彼はロンドンのセント・ポールズ・スクールに通った後、ケンブリッジ大学クライス・カレッジに進学し、学士号と1978年の博士号を取得した。指導教官は、無秩序系および磁性系に関する研究でノーベル賞を受賞していた物理学者のフィリップ・ウォーレン・アンダーソン (Philip Warren Anderson) であり、ハルデーンのキャリアが最終的に向かう先を考えると、適切な指導者であった。

まだ誰も見たことのない物質の理論化

ハルデーンの初期のキャリアは、1977年から1981年までフランスのラウエ・ランジュバン研究所 (Institut Laue–Langevin)、その後南カリフォルニア大学、1986年からはカリフォルニア大学サンディエゴ校へと続いた。彼がキャリアを決定づける理論的研究を行ったのは、主に1980年代のこの時期である。それは、トポロジー（連続的な変形の下で保存される性質を扱う数学の分野。コーヒーカップとドーナツはどちらも穴が1つあるため等価であるという例が有名）を応用して、1次元原子鎖の磁気的挙動や、極低温で物質が取り得る驚くべき相を記述することであった。「ハルデーン予想」として知られるようになったものは、整数スピンと半整数スピンを持つ原子鎖の間で挙動に根本的な違いがあることを予測した。これは当時、物理的に現実のものとしてはあまりに奇妙に思われた。プリンストン大学によるノーベル賞受賞年の記録によれば、ハルデーンはこの研究が分野の定説に反していたため「出版に苦労した」。彼の式が記述する性質を持つ材料を実際に合成する他の物理学者が現れるまで、このアイデアの重要性は否定できないものとはならなかった。

プリンストンと評価

ハルデーンは1990年にプリンストン大学に加わり、最終的にユージン・ヒギンズ物理学教授、後にシャーマン・フェアチャイルド物理学教授の職に就き、現在もその職にある。彼の研究は数十年にわたって広がり、ラッティンジャー液体、分数量子ホール効果、エンタングルメントスペクトル解析、トポロジカル絶縁体およびチャーン絶縁体、そして専門家がユニモジュラ空間計量テンソル場と呼ぶものを用いた量子ホール現象の幾何学的記述を網羅するようになった。これらは技術的な領域であるが、すべては「物理システムのエネルギーだけでなく、その数学的形状が全く新しい物質の相を決定し得る」という同じ根本的な洞察を拡張するものである。彼は1996年に王立協会フェローに選出され、その10年前にアメリカ物理学会フェローに選出されたほか、アメリカ芸術科学アカデミー、アメリカ科学振興協会、イギリス物理学会の会員でもある。1993年にオリバー・E・バックリー凝縮系賞、2012年にディラック・メダルを受賞し、2017年には全米科学アカデミー会員に選出された。

ノーベル賞の電話

2016年10月、ハルデーンはワシントン大学のデビッド・サウレス (David Thouless) およびブラウン大学のJ・マイケル・コステリッツ (J. Michael Kosterlitz) と共に、「トポロジカル相転移および物質のトポロジカル相の理論的発見」によりノーベル物理学賞を共同受賞した。スウェーデン王立科学アカデミーは、この研究が抽象的な数学と現実の材料を結びつける全く新しい研究分野を切り開いたと評価し、選考委員会は、これが将来的に次世代の電子部品や量子コンピュータにつながる可能性があると指摘した。ハルデーンはプリンストン時間の午前4時30分頃、スウェーデンからの伝統的な早朝の電話を受けた。彼自身の言葉によれば、驚きと喜びを感じたという。その理由は、根本的な理論研究の多くが数十年前、実験物理学が追いつく前に静かに行われていたからであり、科学者が彼がかつて紙の上でしかモデル化できなかったエキゾチックな性質を持つ材料を製造する方法を学んだことで、この分野自体が「爆発的に成長」したからである。彼は妻のオディール・ベルモント (Odile Belmont) と共にニュージャージー州プリンストンに住んでいる。

ダンカンが天才と呼ばれる理由

ここでの天才の根拠は、物理学が許す限り明確である。ハルデーンは純粋数学を用いて、実験家たちが彼が理論研究を行った当時には存在しなかった材料や技術を構築した数十年後にしか観測・確認できない物理現象を予測した。これは、自然が自らを現す前に自然を正しく記述するという、理論物理学の最も強力な古典的定義に近い。正直な注意点として、ハルデーンは孤立して働いたわけではない。彼は、並行して研究を行った他の2人の物理学者（コステリッツ・サウレス転移）と賞を分け合っており、この分野の実世界への影響（実用的なトポロジカル材料やデバイス）は、ハルデーン自身の言葉によれば、まだ比較的初期段階にあり、提供された技術というよりは約束に近い。言い換えれば、彼の天才性は、即座に世界を変える発明というよりも、並外れて先見の明のある数学的モデリングとして記述するのが最も適切であり、その価値が科学コミュニティに完全に認識されるまでに30年を要した貢献である。

遺産

ハルデーンのトポロジカルな枠組みは、それ以来、凝縮系物理学の最も活発な分野の一つとなり、より堅牢な量子コンピュータや低消費電力エレクトロニクスをいつか支える可能性のある材料に関する進行中の研究を支えている。これは、トポロジカルに保護された状態が、通常の物質を乱すような小さな擾乱に耐性を持つためである。彼のキャリアは、理論物理学がそれ自身の条件で立証されたという、非常に直接的な例として際立っている。1983年には出版することさえ困難なほど奇妙だと考えられていたアイデアが、2016年には科学界の最高の名誉に値すると判断されたのである。