ダンカン・ホールデン：信じられるまで30年待った理論家

彼は1980年代に、凝縮系物理学の通説をあまりにも根本から覆す研究を発表したため、出版することさえ困難を極めた。30年後、他の科学者たちが彼が紙の上でしかモデル化していなかった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・ホールデン（Duncan Haldane）はストックホルムからの電話を受けた。「私の研究は一種の『眠れる獅子』でした」と彼は後に特徴的な控えめさで語った。「私の研究が他の人々によって拡張されるまで、それほど大きな話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・ホールデンは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に、スロベニア人の医学生であったホールデンの母リュドミラ・レンコと出会った。この背景により、ホールデンは後にイギリスとスロベニアの二重国籍を取得することになり、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ツ・カレッジに進学し、そこで学士号と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既にノーベル賞を受賞していた物理学者フィリップ・ウォーレン・アンダーソンであり、ホールデ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

ホールデ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、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一分野。古典的な例として、コーヒーカップとドーナツはどちらも穴が1つしかないため等価であるというものがある）を応用して、一次元の原子鎖の磁気的挙動と、極低温で物質が入り得る驚くべき相を記述することであった。「ホールデン予想」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の挙動の根本的な違いを予測したもので、当時としては物理的に現実的であるにはあまりにも奇妙に思えた。プリンストン大学によるノーベル賞受賞年の報告によると、ホールデンはこの研究が「分野の定説に反していたため、出版に苦労した」という。彼の数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数年後に現れて初めて、そのアイデアの重要性は否定できないものとなった。

プリンストンと評価

ホールデンは1990年にプリンストン大学に着任し、最終的にユージーン・ヒギンズ教授職、後にシャーマン・フェアチャイルド物理学教授職に就き、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ー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カバーするようになった。これは技術的な領域であるが、すべては「物理システムの基礎となる数学の形状は、エネルギーだけでなく、全く新しい物質の相を決定し得る」という同じ根底にある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、ホールデンはワシントン大学のデヴィッド・サウレス、ブラウン大学のJ・マイケル・コステリッツと共に、「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、賞委員会は、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。ホールデンはプリンストン時間午前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。彼自身の話によれば、驚きと同時に喜びを感じたという。その理由は、基礎となる理論的研究の多くが、実験物理学が追いつく前の数十年前に行われていたからであり、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科学者が製造できるようになるにつれて、分野自体が「爆発的」に発展したからである。彼は妻のオディール・ベルモントと共にニュージャージー州プリンストンに住んでいる。

なぜダンカンは天才と呼ばれるのか

ここでの天才の根拠は、物理学が許す限り明確である。ホールデンは純粋数学を用いて、彼が理論的研究を行った時点では存在しなかった材料や技術を構築した実験家たちが、数十年後にようやく観察・確認できる物理現象を予測した。これは、理論物理学の最も強力な古典的定義、すなわち「自然が自らを示す前に、自然を正しく記述する」ことに近い。正直な注意点として、ホールデンは孤立して研究したわけではない。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、彼らの研究は絡み合った理論体系を形成している。また、この分野の現実世界への影響（実用的なトポロジカル材料やデバイス）は、ホールデ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最もよく説明される。その価値が科学界に完全に認識されるまで30年を要した貢献である。

遺産

ホールデ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っており、トポロジカルに保護された状態は通常の物質を乱すような小さな擾乱に抵抗するため、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支える可能性のある材料への継続的な研究を支えている。彼のキャリアは、理論物理学が自らの条件で立証された、並外れて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あまりにも奇妙だと考えられていたアイデアが、2016年には科学の最高栄誉に値すると判断されたのである。