Kevés felfedező érkezett idegen világokba, mint a három legújabb Nobel-díjas, aki éppen elnyerte az idei Nobel-fizikai díjat. Ezeket a kiemelkedő fizikusokat megtiszteltetésben részesítették az anyag néhány egzotikusabb állapotában végzett munkájukkal, megértetve annak alapvető rejtélyeit, és ajtókat nyitva a mai új kutatási és fejlesztési korszakhoz az új anyagok, például topológiai fémek, szigetelők és szupravezetők számára.
kapcsolodo tartalom
- Mit jelent a Nobel-díj nyerése? Négy győztes a saját szavukban
A Svéd Királyi Tudományos Akadémia együttesen ítélte oda a díjat, az egyik fele David J. Thouless-nek, a washingtoni egyetemnek, a másik fele F. Duncan M. Haldane-nak, a Princetoni Egyetemnek és J. Michael Kosterlitz-nek a Brown-i egyetemről került odaítélésre. az anyag topológiai fázisátmeneteinek és az anyag topológiai fázisának elméleti felfedezéseihez. ”Ha ez önnek elvontnak hangzik, nem vagy egyedül: A győztesek eredményei annyira ezoterikusak voltak, hogy az egyik bizottsági tag a reggeli kenyér készítésével próbálta bemutatni őket.
Mindezek ellenére Haldane és Kosterlitz a fizikai világ szürreális részében működnek, amelyet „síkvidéknek” lehetne nevezni. Ez a világ az anyag felületén vagy olyan rétegeiben található, amelyek olyan vékonyak, hogy lényegében kétdimenziósak; Valójában Haldane munkájának egy része olyan vékony szálakra fókuszál, amelyek alapvetően egydimenziósak. Az anyagnak itt van a legfurcsabb formái.
Az 1970-es és 1980-as években a tudósok felfedték az ebben a birodalomban található furcsa formák, többek között a szupravezetők, a szuperfolyadékok és a vékony mágneses filmek titkait. Ma reggel Thors Hans Hansson, a stockholmi egyetemi fizikus, a Nobel Fizikai Bizottság tagja elmagyarázta az elegáns matematikai koncepciót, amelyet a díjnyertes felfedezésekhez használtak fahéjrub, bagel és perec segítségével.
A topológia egy olyan matematikai rendszer, amely olyan tulajdonságokra összpontosít, amelyek csak jól meghatározott lépésekkel változnak. A Hansson reggeli ételeinek példájában az a fontos, hogy a zsemlenek nincs lyuk, a bagelnek van egy lyuk és az perecenek két lyuk van. „A lyukak száma az, amit a topológus topológiás invariánsnak nevezne” - magyarázta Hansson a sajtótájékoztatón. - Nem lehet fél lyuk, kettő és kétharmada lyuk. A topológiai invariánsnak csak egész szám lehet.
Kiderült, hogy az egzotikus anyag sok szempontja is betartja ezt az egy lyukú, két lyukú koncepciót.
1982-ben Thouless ezt az ötletet magyarázta az elektromos vezetőképesség titokzatos kvantum-Hall hatására. Egy vékony rétegben, nagyon alacsony hőmérsékleten és nagy mágneses mező mellett az elektromos vezetőképesség olyan egységekben épül fel, amelyeket rendkívül precízen meg lehet mérni: először semmi, aztán egy egység, majd két egység. Nem bizonyítottuk, hogy ennek a hatásnak a lépései topológiai invariánssal magyarázhatók. Egy egész szám többszöröseként működött, hasonlóan a reggeli ételek példáján szereplő, megváltoztathatatlan számú lyukakhoz.
Duncan Haldane 1988-ban új irányba tolta ezt a kutatási vonalat, felfedezve, hogy a vékony félvezető rétegek akár a mágneses mező nélkül is tartalmazhatják a kvantum Hall effektust.
A díjat nyert kutatók az anyag új fázisait is felfedték, amelyek az abszolút nulla (-273 ° C) hőmérsékleten láthatóak. 1983-ban Haldane felfedte a lánc mágneses atomjainak sorozatát - az első olyan új topológiai anyag első típusát, amelyet valaha fedeztek fel. Ez a feat egy folyamatos versenyt indított az anyag új topológiai fázisának felfedezésére a rétegekben, a láncokban és a szokásos háromdimenziós anyagokban.
Ezeket a felfedezéseket ma absztraktnak vagy egzotikusnak tekinthetjük, ám ezek egy nap előkészíthetik a nélkülözhetetlen, mindennapi anyagok felfedezését - mondja Hansson. "Ami számunkra egzotikus, lehet, hogy 20 vagy 30 év alatt nem lesz olyan egzotikus" - mondta Joanna Rose újságíró pillanatokban a bejelentés után. "Az elektromosság nagyon egzotikus volt, amikor először megjelent, és már nem is olyan egzotikus."
A topológia megváltoztatta az anyag állapotának változásáról szóló hagyományos megértésünket. Általában egy fázisváltozás akkor következik be, amikor a hőmérséklet megváltozik, azaz amikor a víz fagy. Rendkívül hideg hőmérsékleten azonban az anyag ismert állapotai - gázok, folyadékok és szilárd anyagok - utat mutatnak bizarr új fázisokra és viselkedésre. Az elektromos áramok ellenállás nélkül áramolhatnak, lehetővé téve a szupravezetőt. Az olyan új anyagfázisok, mint a szuperfolyadékok (amelyekre az Orosz Pjotr Kapitsa elnyerte az 1978. évi Nobel-fizika díjat) foroghatnak olyan örvényekben, amelyek soha nem lassulnak le.
Az 1970-es évek során Thouless és Kosterlitz felfedeztek egy teljesen új módszert, amellyel az anyag az egyik állapotból a másikba mozoghat ezen a furcsa területen - egy topológiai átmenet, amelyet kis örvények, például apró tornádók okoznak a lapos anyagban. Alacsony hőmérsékleten az örvények párokat képeznek, amelyek hirtelen elválnak egymástól, és önmagukban leválnak, amikor a hőmérséklet átmeneti pontra emelkedik.
Ez a „KT átmenetnek” nevezett átmenet forradalmi eszközzé vált, amely lehetővé tette a tudósok számára, hogy tanulmányozzák a kondenzált anyagot, az atomfizikát és a statisztikai mechanikát.
Amikor az Akadémia telefonált, Haldane meglepettnek és örömmel nyugtázta magát. "Ez a munka régen volt, de csak most történik sok újszerű felfedezés, amelyek ezen az eredeti munkán alapulnak" - mondta. Hansson visszatért ezekre a gondolatokra, megjegyezve, hogy a tudósok a világ minden tájáról ezeket az eszközöket használják az elektronika, az új anyagok és még az új kvantum-számítógépek alkatrészeinek gyakorlati alkalmazásához.
Hansson azonban hangsúlyozta, hogy a díj célja a kivételes tudomány tisztelete volt. „Egyesítették a gyönyörű matematikát és a mély betekintést a fizikába, és váratlan eredményeket értek el. Ezért jár a díj ”- tette hozzá. "Nagyon szép és mély."
