Дивні явища двомірної матерії: За що дали "нобелівку з фізики у 2016 році

Про важливість відкриттів Девіда Таулеса, Дункана Холдейна і Майкла Костерліца словами Нобелівського комітету

Дивні явища двомірної матерії: За що дали "нобелівку з фізики у 2016 році
Девід Таулес, Данкан Холдейн і Майкл Костерлиц Нобелевский комитет

Про важливість відкриттів Девіда Таулеса, Дункана Холдейна і Майкла Костерліца словами Нобелівського комітету

Нобелівський комітет, який сьогодні назвав імена володарів найпрестижнішої наукової премії в області фізики, пояснив, у чому полягають і чим важливі відкриття лауреатів цього року. Наводимо переклад пояснювальної записки.

Цьогорічні лауреати відчинили двері в незвіданий світ, де матерія існує в дивних станах. Нобелівську премію з фізики у 2016 році присуджено: одну половину Девіду Таулесу з Університету Вашингтона (Сіетл) і другу половину у рівних частинах Дункану Холдейну з Прінстонського університету, а також Майклу Костерліцу з Університету Брауна (Провіденс). Їхні відкриття здійснили прорив у теоретичному розумінні загадок матерії і відкрили нові перспективи щодо створення інноваційних матеріалів.

Таулес, Холдейн і Костерліц використовували передові математичні методи, щоб пояснити дивні явища в незвичайних фазах (або станах) матерії, таких як надпровідник, надплинна рідина або тонкі магнітні плівки. Костерліц і Таулес вивчали явища, які виникають у пласкому світі: на поверхні або всередині надзвичайно тонких шарів, які можна розцінювати як двомірні, порівняно з тривимірними, якими ми зазвичай описуємо реальність (використовуючи такі поняття, як довжина, ширина і висота). Холдейн також вивчав матерію, яка формує нитки настільки тонкі, що їх можна розцінювати, як одномірні.

Варто зазначити, що фізика двомірної матерії сильно відрізняється від тієї звичної фізики, якою ми користуємося для опису світу навколо нас. Навіть якщо дуже тонко розподілена матерія складається з мільйонів атомів, і навіть якщо поведінка кожного атома може бути описана з використанням квантової фізики, атоми демонструють зовсім інакші властивості, коли багато їх скупчується в одному місці. У таких двомірних матеріях постійно відкривають нові колективні явища, і фізика конденсованого стану зараз є однією з найбільш помітних областей науки.

Троє сьогоднішніх лауреатів використовували математичні топологічні поняття у фізиці, і вони стали ключовими в їхніх відкриттях. Пояснимо: топологія – це розділ математики, який описує властивості, що змінюються покроково (детальніше - трохи пізніше). І з допомогою сучасної математики, як інструменту, сьогоднішні лауреати досягли несподіваних результатів, які відкрили нові області для досліджень і привели до створення нових та важливих концепцій всередині декількох розділів фізики.

Квантова фізика стає видимою в холоді

Десь у глибині самих себе всі матерії підкоряються законам квантової фізики. Гази, рідини і тверді речовини є звичайними, звичними нам фазами (станами) матерії, у яких квантові ефекти найчастіше приховані випадковими рухами атомів. Але в умовах екстремально низьких температур, близьких до абсолютного нуля (-273 градуси за Цельсієм, коли рух атомів у речовині повністю припиняється) матерія переходить у дивні нові фази і поводить себе несподіваним чином. Квантова фізика, яка в інакшому разі працює тільки в мікросвіті, раптом стає видимою.

Звичайні фази речовини переходять одна в одну при зміні температури. Наприклад, такий фазовий перехід відбувається, коли лід, що складається з упорядкованих кристалів Н2О, нагрівається і плавиться, переходячи у воду – більш хаотичну фазу матерії. Коли ж ми дивимося на малозвідані двомірні матерії, ми можемо виявити фази, які досі до кінця не вивчені.

Дивні речі можуть відбуватися з матерією в холоді. Наприклад, електричний опір раптово знижується. У такому разі електричний струм проходить через матерію без перешкод, створюваних всіма рухомими частинками речовини (тобто, без опору), або коли вихори в надплинній рідині обертаються вічно без уповільнення.

Першим вченим, який систематично вивчав надплинні рідини, був російський фізик Петро Капіца. У 1930-ті рр. він охолодив гелій-4 – газ, який знаходиться в повітрі, до -271 градуса за Цельсієм, чим змусив його підніматися по стінках ємності. Іншими словами, гелій повів себе незвично, як надплинна рідина в умовах повного зникнення в'язкості. Капіца був удостоєний Нобелівської премії з фізики в 1978 році. Відтоді лабораторним шляхом було створено кілька видів надплинних рідин. Надплинний гелій, тонкі плівки надпровідників, тонкі шари магнітних матеріалів та електропровідні нанонитки – це всього лише частина з безлічі нових фаз матерії, які зараз активно вивчаються.

Залежність фази матерії від температури: від квантового конденсату до плазми Нобелевский комитет

Пари вихорів призводять до рішення

Дослідники довгий час вірили, що зміни температури знищують весь порядок матерії в плоскому, двомірному світі, навіть при абсолютному нулі. Якщо немає впорядкованих фаз, не може бути і фазових переходів. Але на початку 1970-х рр. Девід Таулес і Майкл Костерліц зустрілися в британському Бірмінгемі і кинули виклик існуючій теорії. Разом вони взялися за проблему фазових переходів у двомірній матерії (як вони самі стверджують, спочатку з цікавості, пізніше від невігластва). Це співробітництво призвело до зовсім нового розуміння фазових переходів, яке розглядають як одне з найважливіших відкриттів ХХ століття в галузі фізики конденсованих станів. Його назвали КТ-переходом (перехід Костерліца-Таулеса), або БКТ-переходом, де Б – це прізвище нині покійного російського фізика з Москви Вадима Березинського, який також представляв подібні ідеї.

Топологічний фазовий перехід – це не просто перехід в іншу фазу (стан речовини), як відбувається між льодом і водою. Провідну роль у топологічному переході грають крихітні вихори в двомірній матерії. За низьких температур вони формують стійкі пари. Коли температура зростає, відбувається фазовий перехід: вихори раптово починають рухатися один від одного і розходитися по матерії окремо.

Дивним у цій теорії є те, що її можна застосувати до різних типів матеріалів у малих розмірах; КТ-перехід універсальний. Він став корисним інструментом, придатним не лише у світі конденсованої матерії, але також і в інших областях фізики, наприклад, в атомній фізиці або статистичній механіці. Теорія, що лежить в основі КТ-переходу, була розроблена як сьогоднішніми лауреатами, так і іншими вченими, а також підтверджена експериментально.

Квантові вихори розходяться при підвищенні температури матерії Нобелевский комитет

Загадкові квантові стрибки

Експериментальні розробки у підсумку призвели до відкриття багатьох нових станів матерії, які вимагали пояснення. У 1980-ті рр. Девід Таулес і Дункан Холдейн представили проривні теоретичні роботи, які похитнули колишні теорії, однією з яких була квантово-механічна теорія для визначення того, які матеріали можуть проводити електрику. Її основи були закладені в 1930-ті рр., і через кілька десятиліть ця область фізики вважалася добре вивченою.

Тому великою несподіванкою було, коли в 1983 р. Девід Таулес довів, що попередня картина була неповною і в умовах низьких температур та сильних магнітних полів необхідний новий тип теорії, а топологічна концепція в цьому разі є дуже важливою. Приблизно в той же час Дункан Холдейн прийшов до схожих і таких же несподіваних висновків у ході аналізу атомних магнітних ланцюгів. Праці вчених стали інструментом для подальших вражаючих розробок теорії нових фаз матерії.

Загадкове явище, яке Девід Таулес описав теоретично, використовуючи топологію – це квантовий ефект Холла. Цей ефект був відкритий у 1980 р. німецьким фізиком Клаусом фон Клітцингом, за що той був удостоєний Нобелівської премії п'ятьма роками пізніше. Він вивчав тонкі провідні шари між двома напівпровідниками, де електрони були охолоджені до декількох градусів вище абсолютного нуля і піддані впливу сильного магнітного поля.

У фізиці не рідкість – спостерігати настільки радикальні зміни при зниженні температур; наприклад, багато матеріалів стають магнітними. Це відбувається, оскільки всі малі атомні магніти в матеріалі раптово починають вказувати в одному напрямку, створюючи тим самим сильне магнітне поле, що піддається вимірюванню.

Тим не менш, квантовий ефект Холла більш складний для розуміння; електрична провідність у шарі, як представляється, у змозі лише прийняти певні, надзвичайно точні, значення, що також у фізиці вважається незвичайним. Вимірювання забезпечують однакові результати, навіть якщо температура, магнітне поле або кількість домішок у напівпровіднику змінюються. Коли магнітне поле змінюється достатнім чином, провідність шару також змінюється, але тільки покроково, зниження сили магнітного поля спочатку збільшує електричну провідність удвічі, потім утричі, учетверо і так далі. Ці цілі кроки незрозумілі для сучасної фізики, але Девід Таулес знайшов рішення цієї загадки, використовуючи математичну топологію.

Відповідь, знайдена за допомогою топології

Топологія на прикладі об'єктів з різною кількістю отворів Нобелевский комитет

Топологія описує властивості, які залишаються незмінними, коли об'єкт розтягують, скручують або деформують, але не поділяють на частини. Топологічно сфера і чаша належать до однієї категорії, оскільки сферичний шматок глини може бути перетворений на чашу. Тим часом, бублик з діркою посередині і кавова чашка з отвором у ручці відносяться до іншої категорії – крім того вони можуть бути реконструйовані так, щоб прийняти форму один одного. Загалом, з точки зору топології ці об'єкти можуть мати один отвір, або два, або три, або чотири... але це число неодмінно повинно бути цілим. Як виявилося, це може бути корисним при описі електропровідності, заснованої на квантовому ефекті Холла, яка змінюється виключно покроково, а крок при цьому є точним цілим числом.

При квантовому ефекті Холла електрони рухаються відносно вільно в шарі між двома напівпровідниками і формують те, що називається квантовою топологічною рідиною. Таким же чином нові властивості нерідко виявляються, коли безліч частинок збираються разом – електрони в топологічній квантовій рідині також демонструють несподівані характеристики. Подібно до того, як не можна встановити, чи є отвір у кавовій чашці, дивлячись лише на малу її частину, неможливо визначити, чи формують електрони топологічну квантову рідину, спостерігаючи лише те, що відбувається з частиною з них. Тим не менш, провідність описує спільний рух електронів і, завдяки топології, вимірюється кроками; вона квантується. Інша характеристика топологічної квантової рідини полягає в тому, що її межі володіють незвичайними властивостями. Це було передбачене теоретично та доведено експериментально.

Ще один ключовий поворот у дослідженнях стався в 1988 р., коли Дункан Холдейн відкрив, що топологічні квантові рідини можуть формуватися в тонких шарах напівпровідників навіть за відсутності магнітного поля. За словами вченого, він навіть уявити не міг, що його теоретична модель буде втілена експериментально, але в 2014 р. ця модель була підтверджена експериментом із застосуванням атомів, охолоджених майже до абсолютного нуля.

Новини за темою

Нові топологічні матеріали на підході

У більш ранній роботі від 1982 р. Дункан Холдейн зробив передбачення, яке здивувало навіть експертів. У теоретичному дослідженні ланцюгів магнітних атомів, які зустрічаються в деяких матеріалах, він відкрив, що ці ланцюги мають фундаментально відмінні властивостямі, які залежать від характеру атомних магнітів. У квантовій фізиці існує два типи атомних магнітів – парні і непарні. Холдейн продемонстрував, що ланцюги, сформовані парними магнітами, є топологічними, а ланцюги з непарних магнітів – ні. Як і у випадку з квантовою топологічною рідиною, неможливо визначити, чи є ланцюг топологічним, дослідивши лише невелику його частину. І, в точності як з квантовою рідиною, топологічні властивості проявляють себе на межах. Тут маються на увазі кінці ланцюга, оскільки квантова властивість, відома як спін, ділиться навпіл на кінцях топологічного ланцюга.

Спочатку ніхто не вірив у міркування Холдейна щодо атомних ланцюгів, дослідники були впевнені, що вони вже повністю розуміють їхню природу. Але виявилося, що Холдейн відкрив перший приклад нового типу топологічного матеріалу, такі матеріали в даний час активно вивчаються фізикою конденсованих станів.

І рідини з квантовим ефектом Холла, і парні магнітні атомні ланцюги включені в нову групу топологічних станів. Пізніше дослідники відкрили кілька нових несподіваних топологічних станів матерії – не тільки в ланцюгах або тонких примежевих шарах, але також і в звичайних тривимірних матеріалах.

Зараз обговорюються топологічні ізолятори, топологічні надпровідники та топологічні метали. Це приклади з областей, які в останні десятиліття визначили передній край досліджень у фізиці конденсованих станів, не в останню чергу через надії, що топологічні матеріали знадобляться для створення електроніки нового покоління і надпровідників, але також і для майбутніх квантових комп'ютерів. У даний момент дослідження розкривають все нові таємниці матерії в екзотичних двомірних формах, відкритих нобелівськими лауреатами 2016 року.

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Загрузка...

Віджет партнерів

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>