Jen málo průzkumníků se ponořilo do cizích světů než tři nejnovější laureáti Nobelovy ceny, kteří právě vyhráli letošní Nobelovu cenu za fyziku. Tito přední fyzici byli oceněni za práci na některých nejexotičtějších stavech hmoty, což dává smysl jejím základním tajemstvím a otevírá dveře pro dnešní dobu zkoumání a vývoje nových materiálů, jako jsou topologické kovy, izolátory a supravodiče.
Související obsah
- Co je zapotřebí k získání Nobelovy ceny? Čtyři vítězové, podle vlastních slov
Královská švédská akademie věd společně udělila cenu s tím, že jedna polovina bude udělena Davidu J. Thoulessovi z University of Washington a druhá polovině F. Duncanovi M. Haldaneovi z Princetonské univerzity a J. Michaelu Kosterlitzovi z Brown University “ pro teoretické objevy topologických fázových přechodů a topologických fází hmoty. “Pokud vám to zní abstraktně, nejste sami: Úspěchy vítězů byly tak ezoterické, že se jeden člen výboru snažil demonstrovat pomocí řady chlebů na snídani.
Thouless, Haldane a Kosterlitz pracují v neskutečné části fyzického světa, která by mohla být popsána jako „roviny“. Tento svět se nachází na povrchech hmoty nebo uvnitř vrstev tak tenkých, že jsou v podstatě dvourozměrné; Ve skutečnosti je část Haldanovy práce zaměřena na vlákna tak tenká, že jsou v podstatě jednorozměrná. Zde má hmota některé z nejpodivnějších forem.
Během sedmdesátých a osmdesátých let vědci odhalili tajemství podivných forem nalezených v této říši, včetně supravodičů, superfluidů a tenkých magnetických filmů. Dnes ráno, fyzik Stockholmské univerzity Thors Hans Hansson, člen Nobelovy komise pro fyziku, vysvětlil elegantní matematický koncept, který použili pro oceňované objevy, pomocí skořice, housky a preclíky.
Topologie je systém matematiky, který se zaměřuje na vlastnosti, které se mění pouze dobře definovanými přírůstky. V příkladu jídla společnosti Hansson na snídani je důležité, že houska nemá žádnou díru, bagel má jednu díru a preclík má dvě díry. "Počet děr je to, co by topolog nazval topologickým invariantem, " vysvětlil Hansson na tiskové konferenci. "Nemůžeš mít půl díry nebo dvě a dvě třetiny díry." Topologický invariant může mít pouze celá čísla. “
Ukazuje se, že mnoho aspektů exotické hmoty také dodržuje tento koncept s jednou dírou a dvěma otvory.
V roce 1982 Thouless použil tento nápad k vysvětlení záhadného kvantového Hallova efektu elektrické vodivosti. V tenké vrstvě při velmi nízkých teplotách a při vysokém magnetickém poli bylo zjištěno, že elektrická vodivost se hromadí v jednotkách, které lze měřit s extrémní přesností: nejprve nic, pak jedna jednotka, pak dvě jednotky. Thouless dokázal, že kroky tohoto účinku lze vysvětlit topologickým invariantem. Fungovalo to násobky celého čísla, podobně jako neměnný počet děr v příkladu jídla se snídaní.
V roce 1988 Duncan Haldane posunul tuto linii výzkumu na novou hranici a zjistil, že tenké polovodičové vrstvy mohou uchovávat kvantový Hallův efekt i bez magnetického pole.
Výzkum laureátů také odhalil nové fáze hmoty, které lze pozorovat při teplotách blízkých absolutní nule (-273 ° C). V roce 1983 objevil Haldane v řetězci sadu magnetických atomů - první typ nové topologické hmoty, který byl kdy objeven. Tento čin zahájil probíhající závod na objevování nových topologických fází hmoty skrytých ve vrstvách, řetězech a běžných trojrozměrných materiálech.
Tyto objevy by dnes mohly být považovány za abstraktní nebo exotické, ale jednoho dne by mohly připravit cestu k objevení nezbytných běžných materiálů, říká Hansson. "Co je pro nás exotické teď nemusí být tak exotické za 20 nebo 30 let, " řekl novinářce Joanna Rose krátce po oznámení. "Elektřina byla velmi exotická, když se poprvé objevila, a už to není tak exotické."
Topologie vylepšila naše tradiční chápání toho, jak se mění hmota. Obecně k fázové změně dochází, když se změní teplota, tj. Když voda zamrzne. Ale při extrémně nízkých teplotách známé stavy hmoty - plyny, kapaliny a pevné látky - ustupují bizarním novým fázím a chování. Elektrické proudy mohou protékat bez odporu, což umožňuje supravodič. Nové materiálové fáze, jako jsou superfluidy (za které ruský Pyotr Kapitsa vyhrál Nobelovu cenu za fyziku v roce 1978) se mohou točit ve vírech, které se nikdy nezpomalí.
Během sedmdesátých let Thouless a Kosterlitz objevili zcela nový způsob, jak se hmota může v této podivné oblasti pohybovat z jednoho státu do druhého - topologický přechod vedený malými víry, jako jsou malá tornáda uvnitř plochého materiálu. Při nízkých teplotách vytvářejí víry páry, které se potom náhle od sebe oddělí, když se teplota zvýší na bod přechodu.
Tento přechod, nazývaný „přechod KT“, se stal revolučním nástrojem, který vědcům umožnil studovat kondenzovanou hmotu, atomovou fyziku a statistickou mechaniku.
Když zavolal na Akademii, Haldane prohlásil za překvapeného a potěšeného ctí. "Tato práce byla dávno, ale teprve nyní se odehrává spousta ohromných nových objevů, které vycházejí z této původní práce ..." řekl. Hansson tyto myšlenky zopakoval a poznamenal, že vědci z celého světa nyní tyto nástroje používají k praktickým aplikacím v elektronice, nových materiálech a dokonce i komponentách v novém kvantovém počítači.
Hansson však především zdůraznil, že tato cena měla ocenit výjimečnou vědu. "Kombinovali nádhernou matematiku a hluboký vhled do fyziky, čímž dosáhli neočekávaných výsledků." Za to je cena, “dodal. "Je to opravdu krásné a hluboké."
