Малко изследователи са се задълбочили в по-странни светове от трите най-нови Нобелови лауреати, които току-що спечелиха тази година Нобелова награда за физика. Тези изтъкнати физици са удостоени с работата си върху някои от най-екзотичните състояния на материята, осмисляйки нейните основни мистерии и отваряйки врати за днешната ера на проучване и разработка за нови материали като топологични метали, изолатори и свръхпроводници.
Свързано съдържание
- Какво е необходимо, за да спечелите Нобелова награда? Четирима победители, със собствените си думи
Кралската шведска академия на науките съвместно присъди наградата, като едната половина отиде на David J. Thouless, от Вашингтонския университет, а другата половина - на F. Duncan M. Haldane, от Принстънския университет и J. Michael Kosterlitz от University of Brown “ за теоретични открития на топологични фазови преходи и топологични фази на материята. ”Ако това ви звучи абстрактно, не сте сами: Постиженията на победителите бяха толкова езотерични, че един член на комисията се опита да ги демонстрира, използвайки множество хлябове за закуска.
Thouless, Haldane и Kosterlitz работят в сюрреалистична част от физическия свят, която може да бъде описана като "равнините." Този свят се намира на повърхностите на материята или вътре в слоеве, толкова тънки, че по същество са двуизмерни; всъщност, част от работата на Халдан се фокусира върху нишки, толкова тънки, че те са основно едноизмерни. Тук материята приема някои от най-странните си форми.
През 70-те и 80-те години на ХХ век учените разкриват тайни на странните форми, открити в тази сфера, включително свръхпроводници, свръхтечности и тънък магнитен филм. Тази сутрин физикът от университета в Стокхолм Тор Ханс Хансон, член на Нобеловия комитет по физика, обясни елегантната математическа концепция, която използваха за наградените открития, използвайки кинка от канела, геврек и геврек.
Топологията е система от математика, която се фокусира върху свойства, които се променят само с добре определени стъпки. В примера за храна на закуска на Хансон, важното е, че кокът няма дупка, геврекът има една дупка, а геврекът има две дупки. „Броят на дупките е това, което топологът би нарекъл топологичен инвариант“, обясни Хансон на пресконференцията. „Не можеш да имаш половин дупка или две и две трети от дупката. Топологичният инвариант може да има само цели числа. "
Оказва се, че много аспекти на екзотичната материя също се придържат към тази концепция с една дупка и две дупки.
През 1982 г. Thouless използва тази идея, за да обясни загадъчния ефект на квантовия Хол на електрическата проводимост. В тънък слой при много ниски температури и високо магнитно поле е установено, че електрическата проводимост се изгражда в единици, които могат да бъдат измервани с изключителна точност: първо нищо, след това една единица, а след това две единици. Thouless доказа, че стъпките на този ефект могат да бъдат обяснени с топологичен инвариант. Работи се от множество от цяло число, подобно на неизменния брой дупки в примера за храна за закуска.
През 1988 г. Дънкан Халдън насочи тази линия на изследване към нова граница, откривайки, че тънките полупроводникови слоеве могат да приютяват квантовия ефект на Хол, дори без магнитно поле.
Изследванията на лауреатите разкриха и нови фази на материята, които могат да се видят при температури, близки до абсолютна нула (-273 ° C). През 1983 г. Халдан открива набор от магнитни атоми във верига - първият тип нова топологична материя, откривана някога. Този подвиг стартира продължаваща надпревара за откриване на нови топологични фази на материята, скрита в слоеве, вериги и обикновени триизмерни материали.
Тези открития днес може да се считат за абстрактни или екзотични, но един ден биха могли да проправят пътя за откриването на незаменими, обикновени материали, казва Хансон. "Това, което е екзотично за нас сега, може да не е толкова екзотично след 20 или 30 години", каза той на журналистката Джоана Роуз моменти след съобщението. „Токът беше много екзотичен, когато се появи за пръв път и вече не е толкова екзотичен.“
Топологията обнови традиционното ни разбиране за това как се променя материята. Обикновено при промяна на температурата, т.е. когато водата замръзва, се появява фазова промяна. Но при изключително студени температури познатите състояния на материята - газове, течности и твърди частици - отстъпват на причудливи нови фази и поведение. Електрическите токове могат да протичат без съпротивление, което прави възможно свръхпроводника. Нови материални фази като свръхфлуиди (за които руснакът Петър Капица спечели Нобеловата награда по физика през 1978 г.) могат да се въртят във вихри, които никога не се забавят.
През 70-те години Thouless и Kosterlitz откриха съвсем нов начин, по който материята може да се премести от едно състояние в друго в тази странна област - топологичен преход, движен от малки вихри, като малки торнадо в плоския материал. При ниски температури вихрите образуват двойки, които след това внезапно се отделят един от друг, за да се отделят самостоятелно, когато температурата се повиши до преходна точка.
Този преход, наречен „преход КТ“, се превърна в революционен инструмент, който позволи на учените да изучават кондензираната материя, атомната физика и статистическата механика.
Когато се обади от Академията, Халдан се обяви за изненадан и удовлетворен от честта. „Тази работа беше много отдавна, но едва сега се случват много огромни нови открития, които се основават на това оригинално произведение ...“, каза той. Хансон озвучи тези мисли, отбелязвайки, че учените по целия свят сега използват тези инструменти, за да работят за практически приложения в електрониката, нови материали и дори компоненти в нов квантов компютър.
Но на първо място, подчерта Хансон, наградата е имала за цел да почете изключителната наука. „Те комбинираха красива математика и задълбочен поглед върху физиката, постигайки неочаквани резултати. За това е и наградата “, добави той. „Наистина е красиво и дълбоко.“
