El Premio Nobel de Física 2016 es uno dividido, con una mitad para David J. Thouless, en la Universidad de Washington, y la otra mitad para F. Duncan M. Haldane, en la Universidad de Princeton, y J. Michael Kosterlitz, en la Universidad de Brown. El premio fue otorgado por la investigación de estos teóricos en la física de la materia condensada, en particular su trabajo en las transiciones de fase topológicas y las fases topológicas de la materia, fenómenos subyacentes a estados exóticos de la materia, tales como superconductores, superfluídos o películas magnéticas delgadas. Su trabajo ha dado nuevos conocimientos sobre el comportamiento de la materia a bajas temperaturas y ha sentado las bases para la creación de nuevos materiales llamados aislantes topológicos, lo que podría permitir la construcción de computadoras cuánticas más sofisticadas.

La topología es una rama de las matemáticas que estudia las propiedades que solo cambian de forma incremental, en pasos enteros, en lugar de hacerlo de forma continua. Thors Hans Hansson, físico de la Universidad de Estocolmo, que formó parte del comité Nobel de este año, explicó el concepto básico de la topología durante el anuncio de los premios sacando un rollo de canela, un bagel y un pretzel de una bolsa. "Yo traje mi almuerzo", bromeó, y a continuación, explicó que para un topólogo la única diferencia entre las tres comidas es el número de agujeros en ellos, sin importar su sabor. Un rollo de canela no tiene agujeros, mientras que un bagel tiene uno y un pretzel tiene dos. Para un topólogo, entonces, el pan de canela caería en la misma categoría que un plato, mientras que el bagel se puede combinar con una taza y un pretzel con un par de anteojos. Las ideas premiadas de Thouless, Kosterlitz y Haldane giran en torno a la idea de que estos mismos tipos de "invariantes topológicas" también podrían explicar los cambios de fase en la materia, si bien no los ya familiares, tales como la congelación de un líquido en un sólido o la sublimación a gas. En su lugar, los cambios de fase que estos teóricos estudiaron tuvieron lugar principalmente en delgadas películas bidimensionales enfriadas a temperaturas criogénicas.

El primer avance se produjo en la década de 1970, cuando Thouless y Kosterlitz trabajaron juntos para derribar el consenso largamente sostenido de que las transiciones de fase como la superconductividad (el flujo de corriente sin resistencia) y la superfluidez (un líquido que posee fricción cero) simplemente no puede ocurrir en sistemas bidimensionales debido a las fluctuaciones térmicas, incluso en el cero absoluto. En cambio, ellos encontraron que de hecho en sistemas fríos de dos dimensiones pueden someterse a las transiciones de fase a través de un fenómeno totalmente inesperado, la formación de pares de vórtices a temperaturas muy bajas que entonces, al aumentar la temperatura, de repente se separan más allá de un cierto umbral térmico. Esta "transición KT" (por "Kosterlitz-Thouless") es universal, y se ha utilizado para estudiar la superconductividad en películas delgadas y para explicar por qué la superconductividad se disipa a temperaturas más altas.

Luego, en la década de 1980, Thouless y Haldane, cada uno or separado, estudiaron cómo la conductividad de la electricidad en sistemas cuánticos siguen las reglas topológicas. El trabajo de Thouless examinó el efecto Hall cuántico, un fenómeno conocido previamente en el que fuertes campos magnéticos y temperaturas frías en pilas de semiconductores causan que la conductancia eléctrica cambie solamente en pasos precisos enteros, en lugar de hacerlo de forma continua. El fenómeno tuvo explicaciones vagas hasta que Thouless conjeturó que los electrones en tales sistemas estaban formando lo que se conoce como un fluido cuántico topológico, que actúan colectivamente a fluir solo en pasos enteros. De forma independiente,  Haldane mostró que los fluidos cuánticos topológicos se pueden formar en capas semiconductoras, incluso en ausencia de campos magnéticos fuertes, basándose en sus predicciones anteriores de comportamiento topológico similar en cadenas unidimensionales de átomos magnetizados.

En conjunto, los avances en los trabajos de Haldane y Thouless han mostrado ser cruciales en el desarrollo y la comprensión de los aislantes topológicos, nuevas sustancias que bloquean el flujo de electrones en su interior mientras que simultáneamente conducen electricidad a través de sus superficies. Esta propiedad única podría hacer que los aislantes topológicos resulten útiles para sonsacar nuevos tipos de partículas fundamentales y para la formación de los circuitos dentro de las computadoras cuánticas. Los científicos ya están discutiendo y, en algunos casos, haciendo otros materiales aún más exóticos, superconductores topológicos y metales topológicos que poseen cada uno un enorme potencial para nuevas aplicaciones en computación y electrónica.

Este trabajo "nos ha dicho que la mecánica cuántica puede comportarse de manera mucho más extraña de lo que podríamos haber imaginado, y realmente no hemos entendido todas las posibilidades todavía", dijo Haldane en una entrevista telefónica. "Tenemos un largo camino por recorrer para descubrir lo que es posible, y un montón de estas cosas son cosas que uno ni si quiera hubiese soñado inicialmente que fueran posibles."