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.
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki trafiła do trzech autorów teoretycznych odkryć dotyczących topologicznych przejść fazowych oraz topologicznych faz materii. 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).
Tradycyjny, pochodzący jeszcze z XVII w. podział wyróżnia trzy stany skupienia materii: stały, ciekły i gazowy. To, czy dana substancja występuje w danym stanie skupienia, zależy od ciśnienia i temperatury – np. ciekła woda pod normalnym ciśnieniem w temperaturze powyżej 100 st. C staje się gazem, a poniżej zera – ciałem stałym.
Właściwości ciał w poszczególnych stanach zależą od ułożenia atomów lub cząsteczek, z których są zbudowane. Nowe badania wykazały, że to, co wcześniej uważano za jeden stan skupienia, można w rzeczywistości podzielić na wiele faz materii, różniących się konfiguracją cząsteczek. Bywają sytuacje, w których w jednym ciele równocześnie cząsteczki mogą być ułożone w różny sposób. W szczególności stały i ciekły stan skupienia może być realizowany na różne sposoby – nazywane 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: gdy zmniejsza się wpływ przypadkowych poruszeń atomów dochodzą do głosu zjawiska kwantowe. Chodzi o nadprzewodnictwo (przewodzenie prądu elektrycznego bez oporu), nadciekłość (pozbawiona lepkości superciecz sama wspina się po ściankach naczynia, a wprawiona w ruch wiruje bez końca) oraz efekty magnetyczne dotyczące cienkich warstw.
Aby wyjaśnić osobliwe zjawiska dotyczące niezwykłych stanów materii, David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz skorzystali z metod matematycznych – konkretnie z topologii.
Topologia to dział matematyki zajmujący się badaniem własności figur i brył geometrycznych, które nie ulegają zmianie nawet po radykalnym zdeformowaniu (na przykład rozciągnięciu czy skręceniu). Bryła gliny i gliniana miska należą do tej samej kategorii topologicznej (obiekt bez otworu na wylot) podobnie jest z filiżanką, kubkiem z uszkiem i obwarzankiem (jeden otwór), oprawką okularów i garnkiem z dwoma uchwytami (dwa otwory) czy preclem i czapką kominiarką (trzy otwory). Nie da się ulepić filiżanki z gliny nie przechodząc do innej kategorii – bez uszka będzie tylko czarką.
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.
Przez długi czas naukowcy uważali, że nawet w temperaturze biskiej zera bezwzględnego termiczne fluktuacje niszczą wszelki ład w cienkiej warstwie materii. A jeśli nie ma uporządkowanych faz, nie ma też przejść fazowych. Jednak na początku lat 70. David Thouless i Michael Kosterlitz spotkali się w Birmingham i przeprowadzili badania, które doprowadziły do odkrycia tzw. przejścia BKT (B pochodzi od nazwiska Vadima Berezinskiego, nieżyjącego już fizyka z Moskwy, który doszedł do podobnych wniosków).
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.
BKT można zastosować do różnych typów materiałów. Znalazła zastosowanie na przykład w fizyce atomowej i mechanice statystycznej. Została też potwierdzona eksperymentalnie.
W latach 80. David Thouless i Duncan Haldane zaprezentowali przełomowe prace teoretyczne, które zakwestionowały dotychczasowe teorie dotyczące tego, jakie materiały mogą przewodzić prąd elektryczny. Thouless używając topologii opisał kwantowy efekt Halla – zmiany oporu zachodzące w cienkich przewodzących warstwach umieszczonych pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnika w bardzo silnym polu magnetycznym i przy temperaturze w pobliżu zera bezwzględnego. Okazało się, że zmiany te mogą przyjmować tylko ściśle określone, całkowite wartości (1, 2, 3…), bez stanów pośrednich. Topologia okazała się właściwym kluczem do wyjaśnienia tej zagadki – 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.
Kolejne teoretyczne odkrycie miało miejsce 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. W roku 2014 udało się potwierdzić eksperymentalnie wyniki Haldane’a, badając zachowanie tomów schłodzonych niemal do temperatury zera bezwzględnego.
Jednak Haldane przewidywał jeszcze osobliwszy efekt. W roku 1982 przeprowadził teoretyczne badania nad łańcuchami magnetycznych atomów występującymi w niektórych materiałach. Okazało się, że ich właściwości były całkowicie różne w zależności od charakteru atomowych magnesów, które dzielą się na dwie kategorie- parzyste i nieparzyste. Jak wykazał Haldane, parzyste magnesy tworzą łańcuchy topologiczne, podczas gdy nieparzyste – nietopologiczne.
Dalsze badania w tej dziedzinie doprowadziły do odkrycia stanów topologicznych dotyczących nie tylko łańcuchów czy cienkich warstw, ale i zwykłych, 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. (PAP)
