Тазгодишните лауреати отвориха вратата на непознат свят, в който материята е в странни състояния.
Нобелова награда по физика 2016 е разделена наполовина между Дейвид Дж Тоулес (David J. Thouless) от Университета на Вашингтон, и Дънкан М. Халдейн (F. Duncan M. Haldane) от Принстън и Майкъл Костерлиц (Michael Kosterlitz) от Университета Браун "за теоретични открития на топологични фазовите преходи и топологични фази на материята".
Техните открития доведоха до пробиви в изучаването на странните състояния на материята и създават нови перспективи за развитието на иновативни материали.
Дейвид Тоулес, Дънкан Халдейн и Майкъл Костерлиц използват съвременни математически методи, за да обяснят странни явления в необичайни фази (или състояния) на материята като свръхпроводници, свръхфлуиди или тънки магнитни филми. Костерлиц и Тоулес проучват явленията, които биха възникнали в един плосък свят - върху повърхности или в изключително тънки слоеве, които могат да се считат двумерни сравнение с трите измерения (дължина, ширина и височина), с които се описва обикновено реалността. Халдейн е също проучва един странен тип материя, която образува нишки толкова тънки, че могат да се считат за едномерни.
Физиката, която действа в двумерна равнина, е много по-различна от тази, която познаваме в света около нас. Дори ако разпределим много тънко материя, тя пак ще се състои от милиони атоми и дори тогава поведението на всеки атом може да бъде обяснено от квантовата физика. В същото време атомите ще покажат напълно различни свойства, когато много от тях се съберат заедно в една равнина.
Във физиката на кондензираната материя подобни групови явления се откриват постоянно напоследък. Сега това е една от най-интересните области на физиката.
Използваните от тримата лауреати топологични концепции в областта на физиката са решаващи за техните открития. Топологията е клон на математиката, която се занимава със свойствата на пространството, които се запазват при непрекъснати деформации като разтягане и огъване, но не и разкъсване или залепване.
Използвайки като инструмент модерната топология, тазгодишните лауреати представят изненадващи резултати, които разкриват нови области на научни изследвания и доведоха до създаването на нови и важни концепции в рамките на няколко области на физика.
Квантовата физика става видима при ниски температури
На много ниско ниво цялата материя се подчинява на законите на квантовата физика. Газове, течности и твърди вещества са обичайните фази на материята, в които квантовите ефекти често са скрити от случайните атомните движения. Но при изключително ниски температури, близо до абсолютната нула (-273 градуса по Целзий) материята приема странни нови фази и се държи по неочаквани начини. Квантовата физика, която обикновено работи само в микросвета, изведнъж става видима (фиг. 1).
Фиг. 1 Фази на материята. Най-често срещнаните фази са газ, течност и твърди вещества. Но при много високи или ниски температури материята приема други, по-екзотични състояния. |
Обикновените фази на материята преминават една в друга при промяна на температурата. Например, такъв фазов преход се случва, когато ледът, който се състои от добре подредени кристали, се нагрее и се разтопи във вода, в една по-хаотичен фаза на материята. Когато разглеждаме двумерната материя, откриваме фази на материята, които все още не са напълно проучени.
При ниски температури се случват странни неща. Например, съпротивлението, което срещат вички движещи се частици изведнъж престава. Такъв е случаят, когато електрическият ток протича без никакво съпротивление в свръхпроводниците или когато вихър в свръхфлуид се върти постоянно, без да се забавя.
Първият човек, който систематично изучава свръхфлуидите бе руският учен Пьотр Капица през 1930 г.. Той охлажда хелий-4, който се намира във въздуха, до -271 градуса по Целзий и охладеното вещество пълзи нагоре по стените на своя съд. С други думи у свръхфлуидът трябва напълно да изчезне вискозитетът. Капица е награден през 1978 г. с Нобелова награда за физика и оттогава са създадени в лабораторни условия няколко вида свръфлуиди.
Сега са обект на интензивни изследвания са много нови фази на материята като свръхфлуиден хелий, тънки слоеве свръхпроводници, тънки слоеве магнитни материали и електропроводими нанонишки.
Вихрови двойки
Изследователите отдавна смятат, че флуктуациите могат да унищожат цялата подреденост в материята в един плосък, двуизмерен свят, дори и при абсолютната нула. Ако няма подредени фази, не може да има фазови преходи. Но в началото на 70-те години на миналия век, Дейвид Тоулес и Майкъл Костерлиц се срещат в Бирмингам, Великобритания и оспорват тогавашната теория. Те съвместно се заемат с проблема на фазовите преходи в равнини (първо от любопитство, после - от незнание, както самите те твърдят). Това сътрудничество се превърна в изцяло ново разбиране за фазови преходи и се счита за едно от най-важните открития на ХХ век в теорията на физиката на кондензираната материя. Нарича се КТ преход (KT transition - Kosterlitz-Thouless transition) или BKT преход, където В е от Вадим Березински, вече починалтеоретичен физик от Москва, който бе представил подобни идеи.
Преходът на топологичните фаза не е обикновен фазов преход, както между лед и вода. Водещата роля в топологичния преход се играе от малки вихри в плоската материя. При ниска температури те формират близки двойки. Когато температурата се повиши, се извършва фазов преход: вихрите изведнъж се отдалечават един от друг и се носят в материала самостоятелно (фиг. 2).
Фиг. 2 Фазов преход. При фазовия преход се преминава от едно състояние в друго, както ледът се топи и се превръща във вода. Използвайки топология, Дейвид Тоулес и Майкъл Костерлиц описват топологичен фазов преход в тънък слой от много студена материя. При ниски температури се образуват вихрови двойки и след това изведнъж се разделят при температурата, която става фазовият преход. Това е едно от най-важните открития във физиката на кондензираната материя за ХХ век.
Прекрасното в тази теория е, че тя може да се използва за различни видове материали в по-ниски измерения (двумерни и едномерни), защото КТ преходът е универсален. Той се превърна в полезен инструмент, който не се прилага само в света на кондензираната материя, но и в други области на физиката, като атомната физика или статистическата механика. Теорията на КТ прехода е разработена от двамата нобелисти и други учени, а също така е потвърдена експериментално.
Тайнствени квантови скокове
Експерименталните разработки в крайна сметка доведоха до редица нови състояния на материята, които изискват обяснение. През 80-те Дейвид Тоулес и Дънкан Халдейн представят своята новаторска теоретична работа, която поставя под съмнение предишните теории, една от които е квантовомеханичната теория, която определя кои материали могат да провеждат електричество. Тя е разработена през 30-те и няколко десетилетия тази област на физиката се счита за добре изяснена.
Поради това, бе голяма изненада, когато през 1983 г., Дейвид Тоулес заяви, че предишната представа е непълна и при ниски температури и по-силни магнитни полета, е необходима нов тип теория, в която топологичните понятия са жизненоважни. Долу-горе по същото време, Дънкан Халдейн също стига до подобни, също толкова неочаквани заключение, докато анализира магнитни атомни вериги. Тяхната работа има основна роля в последвалото драматично развитие в теорията на новите фази на материята.
Мистериозният феномен, който Дейвид Тоулес описва теоретично, използвайки топология, се нарича квантов ефект на Хол. Той е открит през 80-те години от немския физик Клаус фон Клицинг, за което е награден с Нобелова награда през 1985 г. Той изследва тънък провеждащ слой между два полупроводника, при което електроните се охлаждат до няколко градуса над абсолютната нула и са подложени на силно магнитно поле.
Във физиката не е необичайно да се случват странни неща, когато се понижават температурите - например, много материали стават магнитни. Това се случва, защото всички малки атоми-магнитчета в материала внезапно се насочват в една и съща посока, което води до силно магнитно поле, което може да също се измерва.
Но квантовият ефект на Хол е по-трудно да се разбере - електрическата проводимост на тънък слой материя изглежда може да приема точно определени стойности, което е необичайно за физиката. Измерванията показват едни и същи резултати, дори ако температурата, магнитното поле или количеството примеси в полупроводника варира. Когато магнитното поле се промени достатъчно, проводимостта на слоя също се променя, но само в стъпки. Постепенното намаляване на силата на магнитното поле предизвиква електрическа проводимост, която е първо точно два пъти по-голяма, след това се утроява, учетворява и така нататък. Тези целочислени стъпки не могат да бъдат обяснени от физиката в момента, но Дейвид Тоулес намира решение на тази загадка, използвайки топологията.
Отговорът дава топологията
Топологията описва свойствата, които не се променят, когато един обект се опъва, усуква или деформира, но не и когато се разкъсва и пробива. Топологично сфера и паница принадлежат към една и съща категория, защото сферична буца глина може да се трансформира в паница. Но поничка с дупка в средата и чаша за кафе с дръжка принадлежат към друга категория - те също могат да трансформират една в друга. Така топологичните обекти могат да съдържат една дупка или две, три, четири ... но този брой трябва винаги да е цяло число. Това се оказа полезно при описанието на електрическата проводимост при квантовия ефект на Хол, който се променя само в стъпки, които са кратни на цяло число (фиг. 3).
Фигура 3. Топология. Този клон на математиката се интересува от свойства, които се променят стъпаловидно като броят на дупките в горните обекти. Топология е ключът към откритието на Нобеловите лауреати и тя обяснява защо електропроводимостта в тънки слоеве се променя цяло число пъти.
В квантовия ефект на Хол, електроните се движат относително свободно в слоя между полупроводниците и образуват нещо, наречено топологична квантов флуид. По същия начин, както често се появяват нови свойства, когато се съберат много частици заедно, електроните в топологичния квантов флуид също показват изненадващи характеристики. Точно както не може да се установи дали има дупка в чашата за кафе, ако се види само една малка част от нея, така е невъзможно да се определи дали електроните са формирали топологичен квантов флуид, ако се наблюдава какво се случва само с някои от тях.
Но проводимостта описва колективното движение на електроните "и, защото също като топологията варира в стъпки, тя се квантува. Друга характеристика на топологичния квантов флуид е, че неговите граници имат необичайни свойства. Те са прогнозирани от теорията и по-късно са потвърдени експериментално.
През 1988 г. Дънкан Халдейн открива, че топологичните квантови флуиди, също като при квантовия ефект на Хол, могат да се оформят в тънки полупроводникови слоеве, дори когато не съществува магнитно поле. Той заяви, че никога не е мечтал да теоретичният модел да се реализира експериментално, но наскоро през 2014 г. този модел е валидиран в експеримент с атоми, които са били охлажда почти до абсолютната нула.
Нови топологични материали
В много по-ранна работа, от 1982 г., Дънкан Халдейн прави прогноза, която изумява дори експертите в областта. В теоретични изследвания на вериги от магнитни атоми, които се формират в някои материали, той открива, че веригите имат коренно различни свойства в зависимост от характера на атомните магнити. В квантовата физика има два вида атомни магнити, четни и нечетни. Халдейн демонстрира, че верига, образувана от четни магнити е топологична, докато верига от нечетни магнити не е. Както при топологичния квантов флуид, не е възможно да се определи дали една атомна верига е топологична или не, когато се изследва само една малка част от нея.
И, както в случая на квантовата течност, топологичните свойства се разкриват по краищата. Тук това са краищата на веригата, защото квантовото свойство, известно като спин, се разделя в краищата на топологичната верига.
Първоначално никой не вярва на разсъжденията на Холдейн за атомните вериги. Изследователите са убедени, че те вече са напълно ясни. Но се оказа, че Халдейн е открил първият пример за нов тип топологичен материал, който в момента е една динамична област на изследвания във физиката на кондензираната материя.
И квантовият флуид на Хол, и магнитните атомни вериги са включени в нова група от топологични състояния. По-късно, учените откриват още няколко други неочаквани топологични състояния на материята, не само във вериги и тънки граничните слоеве, но и в обикновени триизмерни материали. Сега се говори за топологични изолатори, топологични свръхпроводници и топологични метали. Това са примери за области, които през последното десетилетие, са определят като авангардни изследвания във физиката на кондензираната материя.
Разкриването на тайните на материята в пространства с екзотични измерения от Нобеловите лауреати 2016 ще помогне да се направи по-близко едно бъдеще, в което топологичните материали ще създадат ново поколение електроника и свръхпроводници и бъдещите квантови компютри.
Превод на статията "Strange phenomena in matter’s flatlands" в сайта на Нобеловите награди.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари