Альберт ЭЙНШТЕЙН . Нобелевская премия по физике, 1921 г.
Самый знаменитый из ученых XX в. и один из величайших ученых всех времен, Эйнштейн обогатил физику с присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. Он стремился к поиску объяснения природы с помощью системы уравнений, которая обладала бы большой красотой и простотой. Был удостоен премии за открытие закона фотоэлектрического эффекта.
Эдуард ЭПЛТОН . Нобелевская премия по физике, 1947 г.
Эдуард Эплтон удостоен премии за исследования физики верхних слоев атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона. Измерив высоту ионосферы Эплтон открыл второй непроводящий слой, сопротивление которого позволяет отражать коротковолновые радиосигналы. Этим открытием Эплтон установил возможность прямого радиовещания на весь мир.
Лео ЭСАКИ . Нобелевская премия по физике, 1973 г.
Лео Эсаки получил премию вместе с Айвором Джайевером за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках. Эффект туннелирования позволил достичь более глубокого понимания поведения электронов в полупроводниках и сверхпроводниках, макроскопических квантовых явлений в сверхпроводниках.
Хидэки ЮКАВА . Нобелевская премия по физике, 1949 г.
Хидэки Юкава за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам был удостоен премии. Частица Юкавы стала известна как пи-мезон, затем просто пион. Гипотеза Юкавы была принята, когда Сесил Ф. Пауэлл обнаружил частицу Ю. с помощью ионизационной камеры, помещенной на больших высотах, затем мезоны были искусственно получены в лаборатории.
Чжэньнин ЯНГ . Нобелевская премия по физике, 1957 г.
За предвидение при изучении так называемых законов четности, которое привело к важным открытиям в области элементарных частиц Чжэньнин Янг получил премию. Решена была наиболее тупиковая проблема в области физики элементарных частиц, после чего экспериментальная и теоретическая работа забила ключом.
С формулировкой «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи ». За этой несколько размытой и малопонятной широкой публике фразой стоит целый мир нетривиальных и удивительных даже для самих физиков эффектов, в теоретическом открытии которых лауреаты сыграли ключевую роль в 1970–1980-е годы. Они, конечно, были не единственными, кто осознал тогда важность топологии в физике. Так, советский физик Вадим Березинский за год до Костерлица и Таулесса сделал, по сути, первый важный шаг к топологическим фазовым переходам. Рядом с именем Холдейна тоже можно поставить много других имен. Но как бы то ни было, все три лауреата безусловно являются знаковыми фигурами в этом разделе физики.
Лирическое введение в физику конденсированных сред
Объяснить доступными словами суть и важность работ, за которые был присужден физический Нобель-2016, - задача не из простых. Мало того, что сами явления сложные и вдобавок квантовые, так они еще и разнообразные. Премия была присуждена не за одно конкретное открытие, а за целый список пионерских работ, которые в 1970–1980-е годы стимулировали развитие нового направления в физике конденсированных сред. В этой новости я попробую достичь более скромной цели: объяснить на паре примеров суть того, что такое топологический фазовый переход, и передать ощущение, что это действительно красивый и важный физический эффект. Рассказ будет лишь про одну половину премии, ту, в которой проявили себя Костерлиц и Таулесс. Работы Холдейна столь же завораживающие, но они еще менее наглядные, и для их объяснения потребовался бы совсем уж длинный рассказ.
Начнем с блиц-введения в самый богатый на явления раздел физики - физику конденсированных сред.
Конденсированная среда - это, на житейском языке, когда много однотипных частиц собрались вместе и сильно воздействуют друг на друга. Почти каждое слово здесь - ключевое. Сами частицы и закон взаимодействия между ними - должны быть однотипными. Можно взять несколько разных атомов, пожалуйста, но главное, что дальше этот фиксированный набор повторяется снова и снова. Частиц должно быть очень много; десяток-другой - это еще не конденсированная среда. И, наконец, влиять они друг на друга должны сильно: толкать, тянуть, мешать друг другу, может быть обмениваться друг с другом чем-то. Разреженный газ конденсированной средой не считается.
Главное откровение физики конденсированных сред: при таких очень простых «правилах игры» в ней обнаружилось нескончаемое богатство явлений и эффектов. Такое многообразие явлений возникает вовсе не из-за пестрого состава - частицы-то однотипные, - а самопроизвольно, динамически, как результат коллективных эффектов . В самом деле, раз взаимодействие сильное, нет смысла смотреть на движение каждого отдельного атома или электрона, ведь оно тут же сказывается на поведении всех ближайших соседей, а может быть, даже и далеких частиц. Когда вы читаете книгу, она «говорит» с вами не россыпью отдельных букв, а набором связанных друг с другом слов, она передает вам мысль в форме «коллективного эффекта» букв. Так же и конденсированная среда «говорит» на языке синхронных коллективных движений, а вовсе не отдельных частиц. И вот этих коллективных движений, оказывается, огромное разнообразие.
Нынешняя Нобелевская премия отмечает работы теоретиков по расшифровке еще одного «языка», на котором могут «разговаривать» конденсированные среды, - языка топологически нетривиальных возбуждений (что это такое - чуть ниже). Конкретных физических систем, в которых возникают такие возбуждения, найдено уже немало, и ко многим из них приложили руку лауреаты. Но самое существенное здесь - не конкретные примеры, а сам факт того, что такое в природе тоже бывает.
Многие топологические явления в конденсированных средах были вначале выдуманы теоретиками и казались просто математической шалостью, не относящейся к нашему миру. Но потом экспериментаторы обнаруживали реальные среды, в которых эти явления наблюдаются, - и математическая шалость вдруг порождала новый класс материалов с экзотическими свойствами. Экспериментальная сторона этого раздела физики сейчас на подъеме, и это бурное развитие будет продолжаться и в будущем, обещая нам новые материалы с запрограммированными свойствами и устройства на их основе.
Топологические возбуждения
Сначала поясним слово «топологический». Не пугайтесь, что объяснение будет звучать как голая математика; связь с физикой проявится по ходу дела.
Есть такой раздел математики - геометрия, наука о фигурах. Если форму фигуры плавно деформировать, то, с точки зрения обычной геометрии, сама фигура меняется. Но у фигур бывают общие характеристики, которые при плавной деформации, без разрывов и склеек, остаются неизменными. Это и есть топологическая характеристика фигуры. Самый известный пример топологической характеристики - это количество дырок у трехмерного тела. Чайная кружка и бублик - топологически эквивалентны, они оба имеют ровно одну дырку, и потому плавной деформацией одну фигуру можно превратить в другую. Кружка и стакан - топологически различаются, потому что у стакана дырок нет. Для закрепления материала предлагаю ознакомиться с прекрасной топологической классификацией женских купальников .
Итак, вывод: всё то, что можно свести друг к другу плавной деформацией, считается топологически эквивалентным. Две фигуры, которые никакими плавными изменениями друг в друга не превратишь, считаются топологически разными.
Второе слово для объяснение - «возбуждение». В физике конденсированных сред возбуждение - это любое коллективное отклонение от «мертвого» неподвижного состояния, то есть от состояния с наименьшей энергией. Например, по кристаллу ударили, по нему побежала звуковая волна - это колебательное возбуждение кристаллической решетки. Возбуждения не обязательно вызывать насильно, они могут спонтанно возникать из-за ненулевой температуры. Обычное тепловое дрожание кристаллической решетки - это, по сути, много наложившихся друг на друга колебательных возбуждений (фононов) с разными длинами волн. Когда концентрация фононов велика, происходит фазовый переход, кристалл плавится. В общем, как только мы поймем, в терминах каких возбуждений следует описывать данную конденсированную среду, мы получим ключ к ее термодинамическим и прочим свойствам.
Теперь соединим два слова. Звуковая волна - это пример топологически тривиального возбуждения. Это звучит умно, но по своей физической сути это просто означает, что звук можно сделать сколь угодно тихим, вплоть до полного исчезновения. Громкий звук - колебания атомов сильные, тихий звук - слабые. Амплитуду колебаний можно плавно уменьшать до нуля (точнее, до квантового предела, но это тут несущественно), и это всё еще будет звуковое возбуждение, фонон. Обратите внимание на ключевой математический факт: существует операция плавного изменения колебаний до нуля - это просто уменьшение амплитуды. Именно это и означает, что фонон - топологически тривиальное возмущение.
А сейчас включается богатство конденсированных сред. В некоторых системах бывают возбуждения, которые нельзя плавно уменьшить до нуля . Не физически нельзя, а принципиально - форма не позволяет. Просто не существует такой повсюду плавной операции, которая переводит систему с возбуждением в систему с наименьшей энергией. Возбуждение по своей форме топологически отличается от тех же фононов.
Смотрите, как это получается. Рассмотрим простую систему (она называется XY-модель) - обычную квадратную решетку, в узлах которой есть частицы со своим спином, который может быть ориентирован как угодно в этой плоскости. Мы будем изображать спины стрелочками; ориентация стрелочки произвольная, но длина фиксирована. Мы будем также считать, что спины соседних частиц взаимодействуют друг с другом таким образом, что наиболее энергетически выгодная конфигурация - это когда все спины во всех узлах смотрят в одну сторону, как в ферромагнетике. Эта конфигурация показа на рис. 2, слева. По ней могут бежать спиновые волны - небольшие волнообразные отклонения спинов от строгой упорядоченности (рис. 2, справа). Но это всё обычные, топологически тривиальные возбуждения.
А вот теперь взгляните на рис. 3. Здесь показаны два возмущения необычной формы: вихрь и антивихрь. Выберите мысленно точку на картинке и пройдите взглядом по круговому пути против часовой стрелки вокруг центра, обращая внимание на то, что происходит со стрелочками. Вы увидите, что у вихря стрелочка поворачивается в ту же сторону, против часовой стрелки, а у антивихря - в противоположную, по часовой стрелке. Проделайте теперь тоже в основном состоянии системы (стрелочка вообще неподвижна) и в состоянии со спиновой волной (там стрелочка слегка колышется около среднего значения). Вы можете также представить себе и деформированные варианты этих картинок, скажем спиновая волна в нагрузку к вихрю: там стрелочка тоже будет делать полный оборот, слегка вихляя.
После этих упражнений становится ясно, что все возможные возбуждения разбиваются на принципиально различающиеся классы : делает ли стрелочка полный оборот при обходе вокруг центра или нет, и если делает, то в какую сторону. Эти ситуации имеют разную топологию. Никакие плавные изменения не могут превратить вихрь в обычную волну: если уж поворачивать стрелочки, то скачком, сразу на всей решетке и сразу на большой угол. Вихрь, равно как и антивихрь, топологически защищены : они, в отличие от звуковой волны, не могут просто так рассосаться.
Последний важный момент. Вихрь топологически отличается от простой волны и от антивихря только в том случае, если стрелочки лежат строго в плоскости рисунка. Если же нам разрешается выводить их в третье измерение, то тогда вихрь можно плавно устранить. Топологическая классификация возбуждений кардинально зависит от размерности системы!
Топологические фазовые переходы
Эти чисто геометрические рассуждения имеют вполне осязаемое физическое следствие. Энергия обычного колебания, того же фонона, может быть сколь угодно малой. Поэтому при любой сколь угодно низкой температуре эти колебания спонтанно возникают и влияют на термодинамические свойства среды. Энергия же топологически защищенного возбуждения, вихря, не может быть ниже некоторого предела. Поэтому при низких температурах отдельные вихри не возникают, а значит, не влияют на термодинамические свойства системы - по крайней мере, так считалось до начала 1970-х годов.
Между тем, в 1960-е годы усилиями многих теоретиков вскрылась проблема с пониманием того, что происходит в XY-модели с физической точки зрения. В обычном трехмерном случае всё просто и интуитивно понятно. При низких температурах система выглядит упорядоченно, как на рис. 2. Если взять два произвольных узла решетки, пусть даже и очень далеких, то спины в них будут слегка колебаться около одинакового направления. Это, условно говоря, спиновый кристалл. При высоких температурах происходит «плавление» спинов: два далеких узла решетки уже никак друг с другом не скоррелированы. Есть четкая температура фазового перехода между двумя состояниями. Если установить температуру ровно на это значение, то система будет находиться в особом критическом состоянии, когда корреляции еще есть, но плавно, степенным образом уменьшаются с расстоянием.
В двумерной решетке при высоких температурах тоже есть неупорядоченное состояние. А вот при низких температурах всё выглядело очень и очень странно. Была доказана строгая теорема (см. Теорема Мермина - Вагнера) о том, что в двухмерном варианте кристаллической упорядоченности нет. Аккуратные расчеты показали, что ее не то чтобы совсем нет, она просто уменьшается с расстоянием по степенному закону - ровно как в критическом состоянии. Но если в трехмерном случае критическое состояние было только при одной температуре, то тут критическое состояние занимает всю низкотемпературную область. Получается, в двумерном случае в игру вступают какие-то другие возбуждения, которых не существует в трехмерном варианте (рис. 4)!
Сопроводительные материалы Нобелевского комитета рассказывают о нескольких примерах топологических явлений в различных квантовых системах, а также о недавних экспериментальных работах по их реализации и о перспективах на будущее. Заканчивается этот рассказ цитатой из статьи Холдейна 1988 года. В ней он, словно оправдываясь, говорит: «Хотя представленная здесь конкретная модель вряд ли физически реализуема, тем не менее ...». 25 лет спустя журнал Nature публикует , в которой сообщается об экспериментальной реализации модели Холдейна. Пожалуй, топологически нетривиальные явления в конденсированных средах - это одно из самых ярких подтверждений негласного девиза физики конденсированных сред: в подходящей системе мы воплотим любую самосогласованную теоретическую идею, какой бы экзотической она ни казалась.
Имена лауреатов Нобелевской премии по физике. Согласно завещанию Альфреда Нобеля, премией награждается тот, "кто сделает наиболее важное открытие или изобретение" в этой области.
Редакция ТАСС-ДОСЬЕ подготовила материал о порядке присуждения этой премии и ее лауреатах.
Присуждение премии и выдвижение кандидатов
Премию присуждает Шведская королевская академия наук, расположенная в Стокгольме. Ее рабочий орган - Нобелевский комитет по физике, состоящий из пяти - шести членов, которые избираются Академией на три года.
Правом выдвигать кандидатов на премию обладают ученые разных стран, включая членов Шведской королевской академии наук и лауреатов Нобелевской премии по физике, которые получили специальные приглашения от комитета. Предлагать кандидатов можно с сентября до 31 января следующего года. Затем Нобелевский комитет с помощью научных экспертов отбирает наиболее достойные кандидатуры, а в начале октября академия большинством голосов выбирает лауреата.
Лауреаты
Первым премию в 1901 году получил Вильям Рентген (Германия) за открытие излучения, названного его именем. В числе наиболее известных лауреатов Джозеф Томсон (Великобритания), отмеченный в 1906 году за исследования прохождения электричества через газы; Альберт Эйнштейн (Германия), получивший премию в 1921 году за открытие закона фотоэффекта; Нильс Бор (Дания), награжденный в 1922 году за исследования атома; Джон Бардин (США), двукратный обладатель премии (1956 год - за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта и 1972 год - за создание теории сверхпроводимости).
На сегодняшний день в списке награжденных 203 человека (с учетом Джона Бардина, награжденного дважды). Всего две женщины были отмечены этой премией: в 1903 году Мария Кюри разделила ее со своим мужем Пьером Кюри и Антуаном Анри Беккерелем (за изучение явления радиоактивности), а в 1963 году Мария Гопперт-Майер (США) получила награду вместе с Юджином Вигнером (США) и Хансом Йенсеном (ФРГ) за работы в области структуры атомного ядра.
Среди лауреатов 12 советских и российских физиков, а также ученых, родившихся и получивших образование в СССР и принявших второе гражданство. В 1958 году премию получили Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм за открытие излучения заряженных частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Лев Ландау в 1962 году стал лауреатом за теории конденсированных сред и жидкого гелия. Так как Ландау находился в больнице после тяжелых травм, полученных в автокатастрофе, премия была вручена ему в Москве послом Швеции в СССР.
Николай Басов и Александр Прохоров были удостоены премии в 1964 году за создание мазера (квантового усилителя). Их работы в этой области впервые были опубликованы в 1954 году. В том же году американский ученый Чарлз Таунс независимо от них пришел к аналогичным результатам, в итоге Нобелевскую премию получили все трое.
В 1978 году Петр Капица был награжден за открытие в физике низких температур (этим направлением ученый начал заниматься в 1930-х годах). В 2000 году лауреатом стал Жорес Алфёров за разработки в полупроводниковой технике (разделил награду с немецким физиком Гербертом Кремером). В 2003 году Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов, принявший американское гражданство в 1999 году, были отмечены премией за основополагающие работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей (вместе с ними награду разделил британо-американский физик Энтони Леггетт).
В 2010 году премию получили Андре Гейм и Константин Новосёлов, которые проводили эксперименты с двумерным материалом графеном. Технология получения графена была разработана ими в 2004 году. Гейм родился в 1958 году в Сочи, а в 1990 году покинул СССР, впоследствии получил гражданство Нидерландов. Константин Новосёлов родился в 1974 году в Нижнем Тагиле, в 1999 году уехал в Нидерланды, где начал работать с Геймом, позже ему было предоставлено гражданство Великобритании.
В 2016 году премия была присуждена британским физикам, работающим в США: Дэвиду Таулесу, Данкану Холдейну и Майклу Костерлицу "за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества".
Статистика
В 1901-2016 годах премия по физике присуждалась 110 раз (в 1916, 1931, 1934, 1940-1942 годах не удавалось найти достойного кандидата). 32 раза премия была поделена между двумя лауреатами и 31 - между тремя. Средний возраст лауреатов - 55 лет. До сих пор самым молодым обладателем премии по физике остается 25-летний англичанин Лоуренс Брэгг (1915), а самым пожилым - 88-летний американец Реймонд Дэвис (2002).
В средствах массовой информации в преддверии оглашения лауреатов-2017 обсуждались различные кандидатуры, и те, кто в итоге получил премию, входили в число фаворитов.
Барри Бариш, является ведущим экспертом по гравитационным волнам и одним из руководителей лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, расположена в США).
А Райнер Вайсс и Кип Торн стояли у истоков этого проекта и продолжают работу в LIGO.
Сильным кандидатом СМИ считали и британку Николу Спалдин (Nicola Spaldin), долгое время проработавшую исследователем материальной теории в Швейцарском федеральном институте технологии в Цюрихе. Ей ставят в заслугу открытие мультиферроиков, материала с уникальным сочетанием электрических и магнитных свойств, которые сосуществуют одновременно. Это делает материалы идеальными для создания быстродействующих и энергосберегающих компьютеров.
В этом году среди возможных кандидатов на получение Нобелевской премии зарубежные СМИ называли и российских ученых.
В частности, в прессе прозвучало имя астрофизика академика РАН Рашида Сюняева, являющегося директором Института астрофизики общества Макса Планка в Гархинге (Германия).
Как известно, ряд отечественных ученых ранее стали лауреатами Нобелевской премии по физике. В 1958 г. ее получили трое советских ученых – Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм; в 1962 г. – Лев Ландау, а в 1964 году – Николай Басов и Александр Прохоров. В 1978 г. лауреатом Нобелевской премии по физике стал Петр Капица. В 2000 г. награду присудили российскому ученому Жоресу Алферову, а в 2003 г. – Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу. В 2010 г. награда досталась работающим на Западе Андрею Гейму и Константину Новосёлову.
Всего с 1901 по 2016 год Нобелевская премия по физике присуждалась 110 раз, при этом только в 47 случаях награда доставалась единственному лауреату, в других же случаях ее делили между несколькими учеными. Таким образом за прошедшие 115 лет премию получили 203 человека – в том числе американский ученый Джон Бардин, который стал нобелевским лауреатом по физике дважды – единственный в истории награды. Первый раз он получил премию совместно с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном в 1956 году. А в 1972 г. Бардин был награжден второй раз – за основополагающую теорию обычных сверхпроводников вместе с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером.
Среди двух сотен лауреатов нобелевской награды по физике были только две женщины. Одна из них, Мари Кюри получила помимо физической премии в 1903 году еще и Нобелевскую награду по химии в 1911-м. Другой была Мария Гёпперт-Майер, ставшая лауреатом в 1963 г. совместно с Хансом Йенсеном «за открытия касающиеся оболочечной структуры ядра».
Чаще всего Нобелевская премия вручалась исследователям в области физики элементарных частиц.
Средний возраст лауреатов Нобелевской премии по физике – 55 лет. Самым молодым лауреатом в этой номинации остается 25-летний Лоуренс Брэгг из Австралии: он получил премию в 1915 году вместе со своим отцом Уильямом Генри Брэггом за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Самым же пожилым остается 88-летний Раймонд Дэвис-младший, отмеченный в 2002 году премией «за создание нейтринной астрономии». К слову, Нобелевскую награду по физике делили не только отец и сын Брэгги, а также муж и жена Мари и Поль Кюри. В разное время лауреатами становились отцы и дети – Нильс Бор (1922 г.) и его сын Оге Бор (1975), Манне Сигбан (1924 г.) и Кай M. Сигбан (1981 г.), Дж Дж. Томсон (1906 г.) и Джордж Пейджет Томсон (1937 г.).
Открытие, получившее Нобелевскую премию, можно использовать в лечении рака Лауреат этого года открыл и описал механизм аутофагии - фундаментального процесса удаления и утилизации компонентов клеток. Нарушения в процессе аутофагии или очищения клеток от «мусора» может привести к развитию таких заболеваний, как рак и неврологические заболевания.Британский физик Девид Джеймс Тоулесс (David James Thouless) родился в 1934 году в городе Берсден, Шотландия (Великобритания).
В 1955 году получил степень бакалавра в Кембриджском университете (Великобритания). В 1958 году получил степень доктора философии в Корнельском университете (США).
После защиты докторской диссертации работал в университетах в Беркли и в Бирмингеме.
С 1965 года по 1978 год - профессор математической физики в университете Бирмингема, где сотрудничал с физиком Майклом Костерлитцем .
Тоулесс и Костерлитц в начале 1970-х годов перевернули существующие теории, предполагавшие, что явление сверхпроводимости и сверхтекучести не могут наблюдаться в тонких слоях. Они продемонстрировали, что сверхпроводимость может наблюдаться при низких температурах и объяснили фазовые переходы, которые заставляют сверхпроводимость исчезать при более высоких температурах.
С 1980 года Тоулесс был профессором физики в Университете штата Вашингтон в Сиэтле (США). В настоящее время - почетный профессор в Университете штата Вашингтон .
Доктор Тоулесс является действительным членом Королевского общества, членом Американского физического общества, действительным членом Американской академии искусств и наук, а также членом американской Национальной академии наук.
Обладатель медали Максвелла (Maxwell Medal) и медали Поля Дирака (Paul Dirac Medal), присуждаемых Британским институтом физики; медали Хольвека (Holweck Medal) от Французского физического общества и Института физики. Лауреат премии имени Фрица Лондона (Fritz London Award), которая вручается ученым, внесшим выдающийся вклад в области физики низких температур; премии Ларса Онзагера (Lars Onsager Prize) от Американского физического общества и премии Вольфа (Wolf Prize).
4 октября 2016 года Девиду Тоулессу была за открытие топологических переходов и топологических фаз материи.
Костерлитц Майкл
Британский физик Джон Майкл Костерлитц (John Michael Kosterlitz) родился в 1942 году в Абердине , Шотландия (Великобритания).
В 1965 году получил степень бакалавра, в 1966 году — степень магистра в Кембриджском университете (Великобритания), в 1969 году - докторскую степень в области физики высоких энергий в Оксфордском университете (Великобритания).
Майкл Костерлитц награжден медалью Максвелла (Maxwell Medal) британского Института физики (1981), является лауреатом премии Ларса Онзагера (Lars Onsager Prize) Американского физического общества (2000).
Халдейн Данкан
Британский физик Данкан Халдейн (Duncan Haldane) родился 14 сентября 1951 года в Лондоне (Великобритания).
В 1973 году получил степень бакалавра, в 1978 года - доктора физических наук в Кембриджском университете (Великобритания).
В 1977-1981 годах работал в Международном институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция.
В 1981-1985 годах - доцент физики Университета Южной Калифорнии, США.
В 1985-1987 годах работал во франко-американском исследовательском центре Bell Laboratories.
В 1987-1990 годах - профессор кафедры физики имени Юджина Хиггинса в Университете Калифорнии в Сан-Диего, США.
С 1990 года — профессор кафедры физики имени Юджина Хиггинса в Принстонском университете США.
Занимался разработкой нового геометрического описания дробного квантового эффекта Холла. В сферу исследований Халдейна входил эффект квантовой запутанности , топологические изоляторы.
С 1986 года - член Американского физического общества.
С 1992 года - член Американской академии искусств и наук (Бостон).
С 1996 года - член Королевского общества Лондона.
С 2001 года - член Американской ассоциации содействия и развития науки.
В 1993 году Данкан стал лауреатом премии Оливера Бакли (Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize) Американского физического общества. В 2012 году был удостоен медали Дирака (Dirac Medal) Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама.
В 2016 году Данкану Халдейну (совместно с Девидом Тоулессом и Майклом Костерлитцем) была по физике за открытие топологических переходов и топологических фаз материи. Как отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета, нынешние лауреаты "открыли двери в неизвестный мир", в котором материя может находиться в необычном состоянии. Речь, прежде всего, идет о сверхпроводниках и тонких магнитных пленках.
