Vähesed maadeavastajad on sattunud võõrastesse maailmadesse kui kolm uusimat Nobeli laureaati, kes just võitsid tänavuse Nobeli füüsikaauhinna. Need silmapaistvad füüsikud on saanud au töö eest, mis on seotud mateeria kõige eksootilisemate olekutega, mõistes selle põhilisi saladusi ja avades uksi uute materjalide, näiteks topoloogiliste metallide, isolaatorite ja ülijuhtide uurimiseks ja arendamiseks tänapäeval.
Seotud sisu
- Mida on vaja Nobeli auhinna võitmiseks? Neli võitjat, nende enda sõnad
Rootsi Kuninglik Teaduste Akadeemia andis auhinna ühiselt välja, kusjuures üks pool läks Washingtoni ülikooli David J. Thoulessile ja teine pool Princetoni ülikooli F. Duncan M. Haldane'ile ja Browni ülikooli J. Michael Kosterlitzile “. topoloogiliste ja aine topoloogiliste faaside üleminekute teoreetiliste avastuste jaoks. ”Kui see teile kõlab abstraktselt, siis pole te üksi: Võitjate saavutused olid nii esoteerilised, et üks komitee liige püüdis neid demonstreerida, kasutades hulka hommikusöögileiba.
Tühjad, Haldane ja Kosterlitz töötavad füüsilise maailma sürreaalses osas, mida võiks kirjeldada kui „tasandikku”. See maailm on aine pindadel või sisemistes kihtides, mis on nii õhukesed, et nad on sisuliselt kahemõõtmelised; tegelikult keskendub osa Haldane loomingust niitidele niitidele niitidele, et need on põhimõtteliselt ühemõõtmelised. Siin võtab mateeria oma veidramaid vorme.
1970ndatel ja 1980ndatel avastasid teadlased selles piirkonnas leiduvate kummaliste vormide, sealhulgas ülijuhtide, supervedelike ja õhukese magnetkile saladused. Täna hommikul selgitas Stockholmi ülikooli füüsik Thors Hans Hansson, Nobeli füüsikakomitee liige, elegantset matemaatilist kontseptsiooni, mida nad kasutasid auhinnatud avastuste jaoks kaneelikuubiku, bageli ja eelroa abil.
Topoloogia on matemaatikasüsteem, mis keskendub omadustele, mis muutuvad ainult täpselt määratletud sammude kaupa. Hanssoni hommikusöögitoidu näites on oluline see, et kuklil poleks aukut, bagelil oleks üks auk ja korvis kaks auku. "Aukude arv on see, mida topoloog nimetaks topoloogiliseks invariantsiks, " selgitas Hansson pressikonverentsil. “Teil ei saa olla poolt ega kaks ja kaks kolmandikku auku. Topoloogilisel invariantil võib olla ainult täisarv. ”
Selgub, et eksootilise aine paljud aspektid peavad kinni ka sellest ühe augu, kahe augu kontseptsioonist.
1982. aastal kasutas Thouless seda ideed elektrijuhtivuse salapärase kvanthalli efekti selgitamiseks. Õhukeses kihis väga madalatel temperatuuridel ja suurel magnetväljal leiti, et elektrijuhtivus ehitatakse ühikutes, mida saab mõõta ülitäpse täpsusega: kõigepealt mitte midagi, siis üks ühik, siis kaks ühikut. Täitmata tõestas, et selle efekti astmeid saab seletada topoloogilise invariandiga. See töötas täisarvu korrutisena, sarnaselt hommikusöögi näite muutumatute aukude arvuga.
1988. aastal tõukas Duncan Haldane selle uurimisliini uuele piirile, avastades, et õhukesed pooljuhtide kihid võivad kvanthalli efekti säilitada ka ilma magnetväljata.
Laureaatide uurimistöö näitas ka uusi ainefaase, mida võib näha temperatuuril absoluutse nulli lähedal (-273 ° C). 1983. aastal paljastas Haldane ahelas magnetiliste aatomite komplekti - esimese tüüpi uue topoloogilise aine, mis kunagi avastatud. See feat käivitas käimasoleva võistluse mateeria uute topoloogiliste faaside avastamiseks, mis on peidetud kihtidesse, ahelatesse ja tavalistesse kolmemõõtmelistesse materjalidesse.
Neid avastusi võib tänapäeval pidada abstraktseteks või eksootilisteks, kuid need võiksid ühel päeval sillutada teed hädavajalike, tavaliste materjalide leidmiseks, ütles Hansson. "See, mis on meie jaoks eksootiline, ei pruugi 20 või 30 aasta pärast nii eksootiline olla, " ütles ta ajakirjanik Joanna Rose hetke pärast teadet. "Elekter oli esimest korda ringi liikudes väga eksootiline ja pole enam nii eksootiline."
Topoloogia on muutnud meie traditsioonilist arusaama sellest, kuidas mateeria olekut muudab. Üldiselt toimub faasimuutus temperatuuri muutumisel, st kui vesi külmub. Kuid äärmiselt külmade temperatuuride korral annavad tuttavad mateeriaolukorrad - gaasid, vedelikud ja tahked ained - veidratele uutele faasidele ja käitumisele. Elektrivoolud võivad voolata takistuseta, muutes võimalikuks ülijuhi. Uued materjalifaasid, näiteks supervedelikud (mille jaoks Vene Pjotr Kapitsa võitis 1978. aasta füüsikapreemia Nobeli), võivad keerduda keerises, mis kunagi ei aeglustu.
1970ndatel avastasid Thouless ja Kosterlitz täiesti uue viisi, kuidas aine võib selles kummalises piirkonnas liikuda ühest olekust teise - topoloogiline üleminek, mida juhivad väikesed keerised, näiteks pisikesed tornaadod tasases materjalis. Madalatel temperatuuridel moodustuvad keerised paarid, mis siis äkitselt üksteisest eralduvad, et temperatuur tõuseb üleminekupunkti üksi.
Sellest üleminekust, mida nimetatakse “KT-üleminekuks”, sai revolutsiooniline tööriist, mis võimaldas teadlastel uurida kondenseerunud ainet, aatomifüüsikat ja statistilist mehaanikat.
Kui Akadeemia helistas, kuulutas Haldane end üllatunuks ja austajaks. "See töö oli juba ammu, kuid alles nüüd juhtub palju tohutuid uusi avastusi, mis sellel algsel teosel põhinevad ...", ütles ta. Hansson kajastas neid mõtteid, märkides, et teadlased kogu maailmas kasutavad neid tööriistu nüüd praktiliste rakenduste väljatöötamiseks elektroonika, uute materjalide ja isegi komponentide jaoks uues kvantarvutis.
Kuid ennekõike, rõhutas Hansson, oli auhind mõeldud erakordse teaduse auks. „Nad ühendasid kauni matemaatika ja põhjaliku ülevaate füüsikast, saavutades ootamatuid tulemusi. Selle eest auhind on, “lisas ta. "See on tõesti ilus ja sügav."
