Новостная лента

Физический Нобель: за экзотическую двумерную материю

07.10.2015

Дэвид Таулесс, Данкан Галдейн и Майкл Костерліц получили нынешнего Нобеля по физике за «теоретическое открытие топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества».

Нобелевские лауреаты по физике 2016 г. (слева направо): Майкл Костерліц, Дэвид Таулесс и Данкан Галдейн.

 

Дэвид Таулз, Дункан Галдейн и Майкл Костерліц получили нынешнего Нобеля по физике за теоретическое объяснение экзотических свойств двумерных материалов, известных под названием топологических фаз.

 

Свои исследования трое ученых осуществили еще в 1970-1980-х гг. Именно им удалось объяснить необычные свойства, которые экспериментально открыли в очень тонких материалов. Это, в частности, сверхпроводимость – способность проводить электрический ток без сопротивления – и специфические явления магнетизма. Сегодня эти состояния материи активно исследуют для потенциального использования в квантовых компьютерах и новом поколении электроники. Кроме того, теория, основы которой заложили Таулесс, Галдейн и Костерліц, позволила создать топологические изоляторы – особые виды материалов, которые проводят электрический ток только на поверхности, а внутри являются диэлектриками.

 

Все трое лауреатов для объяснения этих явлений применили топологию – математической теории, описывающей свойства, которые остаются неизменными, когда объект подвергается деформации, но не разрыва. Подобно узла, завязанного внутри сплошного круга, которого нельзя избавиться, не разрезав круг, топологические свойства очень устойчивы. Вихри в жидкости, скажем, легко перемещать, но очень трудно уничтожить. Таулесс и Костерліц, которые в 1970-х работали в Бирмингемском университете, использовали топологию, чтобы объяснить некоторые типы фазовых переходов. Упорядочение атомов в разных состояниях материи – твердом, жидком и газообразном – имеет специфические с точки зрения топологии характеристики. В 1970-х научная общественность была убеждена, что упорядоченные двумерные структуры из атомов создать невозможно, ведь термальные флуктуации должны уничтожить любой порядок даже при теипературах, близких к абсолютному нулю.

 

Но Таулесс и Костерліц доказали, что фазовые переходы, в которых вместе с изменением агрегатных состояний изменяются и топологические свойства, возможные в очень тонких слоях материалов. С помощью этой модели они предусмотрели, что в таких материалов при очень низких температурах имеет сверхпроводимость, но исчезать за высших. Они также объяснили механизм, лежащий в основе этого эффекта.

 

Эту теорию, называемую переходом Костерлица-Таулесса-Березинского, можно применить ко многим видам двумерных материалов. Большой вклад в нее сделал украинский физик Вадим Березинский (1935-1980), который также претендовал на премию, если бы дожил до сегодня.

 

В 1982 г. Таулесс также пояснил т. зв. квантовый эффект Холла. Этот эффект в 1980 г. открыл немецкий физик Клаус фон Клітцінг, который через пять лет получил за него Нобелевскую премию. Его суть в том, что в тонких пленках, охлажденных до абсолютного нуля, электроны под воздействием сильного магнитного поля движутся чрезвычайно упорядоченно в зависимости от проводимости, которая растет скачкообразно вместе с напряженностью магнитного поля. Тоулесс доказал, что квантовый эффект Холла – это топологический феномен. Изменения свойств системы происходят гладко, но проходят внезапными скачками, что с математической точки зрения можно сравнить с деформацией топологической системы.

 

Галдейн, в свою очередь, применял топологию к цепям атомов в магнитном поле. Эти атомы имеют квантовую свойством – спином. В 1982 г. ученый предсказал, что определенные цепи атомов обнаруживают топологические свойства, в результате которых атомы на их краях приобретают половину значения спина. Поскольку эта квантовая свойство зависит от коллективного состояния целого цепи, а не от отдельных частиц, то ее можно использовать для закодовування информации в квантовых компьютерах.

 

Все трое физиков сегодня работают в Соединенных Штатах: Дэвид Тоулесс – в Вашингтонском университете в Сиэтле, Майкл Костерліц – в Университете Брауна (Род-Айленд), а Данкан Галденй в Принстонском университете в Нью-Джерси. Они разделят между собой призовой фонд премии составляет 8 млн. шведских крон ($ 940,000), причем половина этой суммы достанется Таулзу, а остальное поровну поделят Костерліц и Гелдан.

 

Элизабет Gibney & Davide Castelvecchi

Physics of 2D exotic matter wins Nobel

Nature, 4/10/2016

Отреферировал Евгений Ланюк

You Might Also Like

Loading...

Нет комментариев

Комментировать

Яндекс.Метрика