Nagroda Nobla 2016 w dziedzinie fizyki trafiła do trzech autorów teoretycznych odkryć dotyczących topologicznych przejść fazowych oraz topologicznych faz materii.
Dzięki pracom tegorocznych noblistów fizycy lepiej zrozumieli osobliwy świat faz materii i przejść fazowych. Aby wyjaśnić osobliwe zjawiska z tym związane, David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz skorzystali z metod matematycznych, z topologii.
Materiał SETV/x-news
Teoria przejść fazowych
Badania wykazały, że to, co wcześniej uważano za jeden stan skupienia, można w rzeczywistości podzielić na wiele faz materii, różniących się konfiguracją cząsteczek. W szczególności stały i ciekły stan skupienia może być realizowany na różne sposoby - nazywane są one fazami materii. Opisem procesów zmian pomiędzy fazami zajmuje się teoria przejść fazowych, niekiedy nazywana także teorią zjawisk krytycznych. Szczególnie osobliwe zjawiska związane z fazami materii zachodzą w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego.
Kosterlitz i Thouless zajęli się zjawiskami zachodzącymi w bardzo cienkich, praktycznie dwuwymiarowych warstwach. Haldane badał również właściwości materii w postaci niemal jednowymiarowych struktur – łańcuchów atomów. Korzystali z topologii - działu matematyki zajmującego się badaniem własności figur i brył geometrycznych, które nie ulegają zmianie nawet po radykalnym zdeformowaniu.
Topologia w badaniach
Topologiczne przejście fazowe nie przypomina zwykłego przejście lodu w wodę. Główną rolę odgrywają małe wiry w płaskim materiale. W niskich temperaturach tworzą one ściśle powiązane pary. Gdy zaś temperatura rośnie, dochodzi do przejścia fazowego – wiry nagle bardzo się od siebie oddalają i "żeglują" po materiale. Ta teoria znalazła zastosowanie na przykład w fizyce atomowej i mechanice statystycznej.
Thouless używając topologii opisał kwantowy efekt Halla. Elektrony w warstwie przewodzącej pomiędzy warstwami półprzewodnika poruszają się swobodnie, tworząc tak zwaną topologiczną ciecz kwantową. Zmiany oporu są właśnie kwantowe - zachodzą stopniowo, a nie w sposób ciągły. W roku 1988, gdy Duncan Haldane odkrył, że topologiczne ciecze kwantowe (takie jak ta związana z kwantowym efektem Halla) mogą tworzyć się w cienkich warstwach półprzewodnika nawet bez obecności pola magnetycznego.
Właściwości materii
Haldane badał także łańcuchy magnetyczne atomów występujące w niektórych materiałach. Okazało się, że parzyste magnesy tworzą łańcuchy topologiczne, podczas gdy nieparzyste – nietopologiczne. Dalsze badania w tej dziedzinie doprowadziły do odkrycia stanów topologicznych trójwymiarowych materiałów. Topologiczne izolatory, nadprzewodniki czy metale należą do "gorących" tematów badań.
Dzięki odkryciom tegorocznych noblistów fizycy lepiej zrozumieli właściwości materii. Teoretyczny postęp może się przełożyć na opracowanie nowych materiałów oraz postęp w konstruowaniu urządzeń takich jak komputery kwantowe.
Połowę nagrody pieniężnej (8 mln koron szwedzkich, czyli około 850 tysięcy euro) otrzyma David J. Thouless z University of Washington w Seattle, drugą połową podzielą się F. Duncan M. Haldane (Princeton University) oraz J. Michael Kosterlitz (Brown University w Providence).
źródło PAP
ja
Zobacz także:
© Artykuł jest chroniony prawem autorskim. Wykorzystanie tylko pod warunkiem podania linkującego źródła.
Komentarze