Мало кто из исследователей проник в странные миры, чем три новейших Нобелевских лауреата, которые только что получили Нобелевскую премию по физике в этом году. Эти выдающиеся физики были удостоены чести за свою работу над некоторыми наиболее экзотическими состояниями материи, осмысливая ее фундаментальные загадки и открывая двери для современной эры исследования и разработки новых материалов, таких как топологические металлы, изоляторы и сверхпроводники.
Связанный контент
- Что нужно, чтобы выиграть Нобелевскую премию? Четыре победителя своими словами
Королевская шведская академия наук совместно присудила премию, причем одна половина была вручена Дэвиду Дж. Таулесу из Университета Вашингтона, а другая половина Ф. Дункану М. Холдейну из Принстонского университета и Дж. Майклу Костерлицу из Университета Брауна « для теоретических открытий топологических фазовых переходов и топологических фаз материи ». Если это звучит абстрактно для вас, вы не одиноки: достижения победителей были настолько эзотерическими, что один из членов комитета пытался продемонстрировать их, используя множество хлебов для завтрака.
Таулесс, Холдейн и Костерлиц работают в сюрреалистической части физического мира, которую можно назвать «равниной». Этот мир находится на поверхностях материи или внутри слоев, настолько тонких, что они по существу двумерны; на самом деле, некоторые из работ Холдейна сосредоточены на нитях, настолько тонких, что они в основном одномерные. Здесь материя принимает некоторые из самых странных форм.
В течение 1970-х и 1980-х годов ученые раскрыли секреты странных форм, обнаруженных в этой области, включая сверхпроводники, сверхтекучие жидкости и тонкие магнитные пленки. Этим утром физик Стокгольмского университета Тор Ханс Ханссон, член Нобелевского комитета по физике, объяснил изящную математическую концепцию, которую они использовали для открытий, удостоенных наград, используя булочку с корицей, бублик и крендель.
Топология - это система математики, которая фокусируется на свойствах, которые изменяются только с четко определенными приращениями. В примере с едой на завтрак Ханссона важно, чтобы булочка не имела отверстия, у бублика было одно отверстие, а у кренделя два отверстия. «Количество дырок - это то, что тополог назвал бы топологическим инвариантом», - объяснил Ханссон на пресс-конференции. «Вы не можете иметь половину отверстия или две и две трети отверстия. Топологический инвариант может иметь только целые числа ».
Оказывается, что многие аспекты экзотической материи также придерживаются этой концепции с одним отверстием, двумя отверстиями.
В 1982 году Таулесс использовал эту идею для объяснения таинственного квантового эффекта Холла электрической проводимости. Было обнаружено, что в тонком слое при очень низких температурах и сильном магнитном поле электрическая проводимость строится в единицах, которые можно измерять с предельной точностью: сначала ничего, затем одна единица, затем две единицы. Таулесс доказал, что шаги этого эффекта можно объяснить топологическим инвариантом. Это работало на кратные целого числа, очень похоже на неизменное количество отверстий в примере еды на завтрак.
В 1988 году Дункан Холдейн выдвинул эту линию исследований на новый рубеж, обнаружив, что тонкие полупроводниковые слои могут содержать квантовый эффект Холла даже без магнитного поля.
Исследования лауреатов также выявили новые фазы вещества, которые можно увидеть при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 ° C). В 1983 году Холдейн открыл цепочку магнитных атомов в цепи - первый тип новой топологической материи, когда-либо обнаруженной. Этот подвиг положил начало непрерывной гонке за открытием новых топологических фаз материи, скрытых в слоях, цепях и обычных трехмерных материалах.
Эти открытия могут сегодня считаться абстрактными или экзотическими, но однажды они могут проложить путь к открытию незаменимых, банальных материалов, говорит Ханссон. «То, что экзотично для нас сейчас, может не быть таким экзотическим через 20 или 30 лет», - сказал он журналисту Джоанне Роуз через несколько минут после объявления. «Электричество было очень экзотическим, когда оно впервые появилось, и уже не так экзотично».
Топология изменила наше традиционное понимание того, как материя меняет состояния. Обычно изменение фазы происходит при изменении температуры, т.е. когда вода замерзает. Но при чрезвычайно низких температурах знакомые состояния вещества - газы, жидкости и твердые вещества - сменяются странными новыми фазами и поведением. Электрические токи могут течь без сопротивления, что делает возможным сверхпроводник. Новые материальные фазы, такие как сверхтекучие жидкости (за которые русский Петр Капица получил Нобелевскую премию по физике 1978 года), могут вращаться в вихрях, которые никогда не замедляются.
В течение 1970-х годов Таулесс и Костерлиц обнаружили совершенно новый способ, которым материя может перемещаться из одного состояния в другое в этой странной области, - топологический переход, приводимый в движение небольшими вихрями, такими как крошечные торнадо в плоском материале. При низких температурах вихри образуют пары, которые затем внезапно отделяются друг от друга, чтобы самостоятельно отделиться, когда температура поднимется до точки перехода.
Этот переход, получивший название «переход KT», стал революционным инструментом, который позволил ученым изучать конденсированные вещества, атомную физику и статистическую механику.
Когда позвонил в Академию, Холдейн объявил себя удивленным и удовлетворенным этой честью. «Эта работа была давным-давно, но только сейчас происходит множество новых открытий, основанных на этой оригинальной работе ...», - сказал он. Ханссон повторил эти мысли, отметив, что ученые всего мира теперь используют эти инструменты для практического применения в электронике, новых материалах и даже компонентах в новом квантовом компьютере.
Но, в первую очередь, подчеркнул Ханссон, премия должна была вручаться за выдающуюся науку. «Они объединили прекрасную математику и глубокое понимание физики, достигнув неожиданных результатов. Вот для чего приз », - добавил он. «Это действительно красиво и глубоко».
