Malo je istraživača zapadalo u tuđe svjetove od tri najnovija dobitnika Nobelove nagrade, koji su upravo osvojili ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziku. Ovi eminentni fizičari bili su počašćeni svojim radom na nekim najegzotičnijim stanjima materije, što ima smisla za njezine temeljne misterije i otvara vrata za današnje doba istraživanja i razvoja za nove materijale poput topoloških metala, izolatora i supravodiča.
Povezani sadržaj
- Što je potrebno da dobijete Nobelovu nagradu? Četiri pobjednika u svojim vlastitim riječima
Kraljevska švedska akademija znanosti nagradu je zajedno dodijelila, pri čemu je jedna polovina dodijeljena Davidu J. Thoulessu, sa Sveučilišta u Washingtonu, a druga polovina F. Duncanu M. Haldaneu, sa Sveučilišta Princeton, i J. Michaelu Kosterlitzu sa Sveučilišta Brown “ za teorijska otkrića prijelaza topološke faze i topološke faze materije. "Ako vam to zvuči apstraktno, niste sami: Postignuća pobjednika bila su toliko ezoterična da ih je jedan član odbora pokušao demonstrirati koristeći mnoštvo kruha za doručak.
Thouless, Haldane i Kosterlitz djeluju u nadrealnom dijelu fizičkog svijeta koji bi se mogao opisati kao "ravnice". Taj se svijet nalazi na površini materije ili unutar slojeva tako tankih da su u osnovi dvodimenzionalni; zapravo se neki Haldaneov rad fokusira na niti toliko tanke da su u osnovi jednodimenzionalne. Ovdje materija ima neke od svojih najčudnijih oblika.
Tijekom 1970-ih i 1980-ih, znanstvenici su otkrili tajne čudnih oblika koje se nalaze u ovom carstvu, uključujući superprovodnike, superfluide i tanki magnetski film. Jutros je fizičar sa Sveučilišta u Stockholmu Thors Hans Hansson, član Nobelovog odbora za fiziku, objasnio elegantan matematički koncept koji su koristili za nagradna otkrića pomoću lepinja od cimeta, bagela i pereca.
Topologija je sustav matematike koji se usredotočuje na svojstva koja se mijenjaju samo po dobro definiranim koracima. U primjeru Hanssonove hrane za doručak, ono što je važno jest da zečica nema rupu, bagel ima jednu rupu, a pereca ima dvije rupe. "Broj rupa ono je što bi topolog nazvao topološkom invarijantom", objasnio je Hansson na konferenciji za novinare. "Ne možete imati pola ili dvije ili dvije trećine rupe. Topološki invariant može imati samo cijeli broj. "
Ispada da se mnogi aspekti egzotične materije također pridržavaju ovog koncepta s jednom rupom i dvije rupe.
Godine 1982. Thouless je iskoristio ovu ideju da objasni tajanstveni kvantni Hall efekt električne provodljivosti. Unutar tankog sloja pri vrlo niskim temperaturama i visokom magnetskom polju utvrđeno je da električna vodljivost stvara jedinice koje se mogu ekstremno precizno izmjeriti: najprije ništa, zatim jedna jedinica, a zatim dvije jedinice. Bezbroj je dokazao da se koraci ovog učinka mogu objasniti topološkom invarijantom. Djelovalo je višestrukim brojem cijelih brojeva, slično nepromjenjivom broju rupa u primjeru hrane s doručkom.
Duncan Haldane je 1988. gurnuo ovu liniju istraživanja na novu granicu, otkrivši da tanki poluvodički slojevi mogu smjestiti kvantni Hallov efekt čak i bez magnetskog polja.
Istraživanje laureata otkrilo je i nove faze materije koje se mogu vidjeti na temperaturama blizu apsolutne nule (-273 ° C). Godine 1983. Haldane je otkrio skup magnetskih atoma u lancu - prvu vrstu nove topološke materije ikada otkrivene. Taj podvig pokrenuo je trajnu utrku za otkrivanjem novih topoloških faza materije skrivene unutar slojeva, lanaca i običnih trodimenzionalnih materijala.
Ova bi se otkrića danas mogla smatrati apstraktnim ili egzotičnim, ali mogla bi jednog dana otvoriti put otkriću neophodnih, uobičajenih materijala, kaže Hansson. "Ono što je za nas sada egzotično možda nije previše egzotično za 20 ili 30 godina", rekao je novinarima Joanna Rose nekoliko trenutaka nakon najave. "Električna energija je bila vrlo egzotična kada se prvi put pojavila i više nije tako egzotična."
Topologija je oporavila naše tradicionalno razumijevanje stanja materije. Općenito, fazna promjena se događa kada se temperatura mijenja, tj. Kada voda smrzne. Ali pri ekstremno hladnim temperaturama, poznata stanja materije - plinovi, tekućine i krute tvari - daju mjesto bizarnim novim fazama i ponašanju. Električne struje mogu teći bez otpora, što omogućuje superprovodnik. Nove materijalne faze poput superfluida (za koje je ruski Pyotr Kapitsa dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1978.) mogu se vrtjeti u vrtlozima koji se nikad ne usporavaju.
Tijekom 1970-ih Thouless i Kosterlitz otkrili su potpuno novi način na koji se materija može kretati iz jedne države u drugu na ovom čudnom području - topološki prijelaz vođen malim vrtlozima, poput sićušnih tornada unutar ravnog materijala. Pri niskim temperaturama vrtlozi formiraju parove, koji se iznenada odvajaju jedan od drugog da bi se sami odvojili kada temperatura poraste do prijelazne točke.
Taj prijelaz, nazvan "KT tranzicija", postao je revolucionarno sredstvo koje je omogućilo znanstvenicima da proučavaju kondenziranu materiju, atomsku fiziku i statističku mehaniku.
Kad se telefonom oglasila Akademija, Haldane se proglasio iznenađenim i uljuđenim u čast. "To je djelo bilo davno, ali tek se sada događa puno strašnih novih otkrića koja su utemeljena na ovom originalnom djelu ..." rekao je. Hansson je ponovio te misli, primjećujući da znanstvenici širom svijeta sada koriste te alate da bi radili na praktičnim primjenama u elektronici, novim materijalima, pa čak i komponentama u novom kvantnom računalu.
No prije svega, naglasio je Hansson, nagrada je značila počast izuzetnoj znanosti. „Spojili su lijepu matematiku i duboki uvid u fiziku postigavši neočekivane rezultate. Za to je zaslužna nagrada, ”dodao je. "Stvarno je lijepo i duboko je."
