Puțini exploratori s-au delectat în lumi mai ciudate decât cei trei noi laureați ai premiilor Nobel, care tocmai au câștigat premiul Nobel pentru fizică din acest an. Acești fizicieni eminenți au fost onorați pentru munca depusă pe unele dintre cele mai exotice stări ale materiei, dând sens misterelor sale fundamentale și deschizând ușile pentru epoca de explorare și dezvoltare de astăzi pentru noi materiale precum metale topologice, izolatori și superconductori.
Continut Asemanator
- Ce este nevoie pentru a câștiga un premiu Nobel? Patru câștigători, în propriile lor cuvinte
Academia Regală Suedeză de Științe a acordat, în comun, premiul, cu o jumătate care i-a revenit lui David J. Thouless, de la Universitatea Washington, iar cealaltă jumătate lui F. Duncan M. Haldane, de la Universitatea Princeton și J. Michael Kosterlitz, de la Universitatea Brown „ pentru descoperirile teoretice ale tranzițiilor de fază topologică și fazele topologice ale materiei. ”Dacă acest lucru vă pare abstract, nu sunteți singur: realizările câștigătorilor au fost atât de ezoterice încât un membru al comisiei a căutat să le demonstreze folosind o serie de pâine de mic dejun.
Thouless, Haldane și Kosterlitz lucrează într-o parte suprarealistă a lumii fizice care ar putea fi descrise drept „zonele plane”. Această lume se găsește pe suprafețele materiei sau în straturile din interior atât de subțiri încât sunt în esență bidimensionale; de fapt, unele dintre lucrările lui Haldane se concentrează pe fire atât de subțiri încât sunt practic unidimensionale. Aici, materia ia unele dintre cele mai ciudate forme ale sale.
În anii ’70 -’80, oamenii de știință au dezvăluit secrete ale formelor ciudate regăsite pe acest tărâm, inclusiv superconductorii, superfluidele și peliculele magnetice subțiri. În această dimineață, fizicianul Universității din Stockholm, Thors Hans Hansson, membru al Comitetului Nobel pentru fizică, a explicat conceptul matematic elegant pe care l-au folosit pentru descoperirile câștigătoare de premii, folosind o chiflă de scorțișoară, un bagel și un covrig.
Topologia este un sistem de matematică care se concentrează pe proprietăți care se schimbă numai prin creșteri bine definite. În exemplul de mâncare pentru micul dejun al lui Hansson, ceea ce este important este că chifla nu are gaură, bagelul are o gaură și covrigul are două găuri. „Numărul de găuri este ceea ce topologul ar numi invariant topologic”, a explicat Hansson în cadrul conferinței de presă. „Nu poți avea o jumătate de gaură sau două și două treimi dintr-o gaură. Un invariant topologic poate avea doar numere întregi. "
Se dovedește că multe aspecte ale materiei exotice aderă și la acest concept cu o singură gaură, cu două găuri.
În 1982, Thouless a folosit această idee pentru a explica misteriosul efect cuantic Hall al conductanței electrice. Într-un strat subțire la temperaturi foarte scăzute și un câmp magnetic ridicat, s-a constatat că conductanța electrică se construiește în unități care ar putea fi măsurate cu precizie extremă: întâi nimic, apoi o unitate, apoi două unități. Thouless a dovedit că pașii acestui efect pot fi explicați printr-un invariant topologic. A funcționat prin multipli dintr-un număr întreg, la fel ca numărul neschimbabil de găuri din exemplul de mâncare pentru micul dejun.
În 1988, Duncan Haldane a împins această linie de cercetare către o nouă frontieră, descoperind că straturile subțiri de semiconductor pot găzdui efectul Hall cuantic chiar și fără un câmp magnetic.
Cercetările laureaților au relevat, de asemenea, noi faze ale materiei care pot fi văzute la temperaturi aproape de zero absolut (-273 ° C). În 1983, Haldane a descoperit un set de atomi magnetici într-un lanț - primul tip de materie topologică nouă descoperită vreodată. Faptul a lansat o cursă continuă pentru a descoperi noi faze topologice ale materiei ascunse în straturi, lanțuri și materiale tridimensionale obișnuite.
Aceste descoperiri ar putea fi astăzi considerate abstracte sau exotice, dar ar putea într-o bună zi să deschidă calea descoperirii unor materiale indispensabile, obișnuite, spune Hansson. „Ceea ce este pentru noi acum exotic ar putea să nu fie atât de exotic în 20 sau 30 de ani”, a spus jurnalista Joanna Rose la câteva momente după anunț. „Electricitatea a fost foarte exotică când a apărut pentru prima dată și nu mai este atât de exotică.”
Topologia ne-a reînnoit înțelegerea tradițională a modului în care schimbă materia. În general, o schimbare de fază apare atunci când temperatura se schimbă, adică atunci când apa îngheață. Dar la temperaturi extrem de reci, stările cunoscute ale materiei - gaze, lichide și solide - dau loc unor faze și comportamente noi bizare. Curenții electrici pot curge fără rezistență, ceea ce face posibilă supraconductorul. Noile faze materiale precum superfluidele (pentru care rusoaica Pyotr Kapitsa a câștigat premiul Nobel pentru fizică din 1978) se pot roti în vortexuri care nu încetinesc niciodată.
În anii '70, Thouless și Kosterlitz au descoperit un mod complet nou în care materia se poate deplasa de la un stat la altul în această zonă ciudată - o tranziție topologică condusă de mici vortexuri, ca niște tornade minuscule din materialul plat. La temperaturi scăzute, vortexurile se formează perechi, care apoi se separă brusc unele de altele pentru a se roti singure când temperatura crește la un punct de tranziție.
Această tranziție, supranumită „tranziția KT”, a devenit un instrument revoluționar care a permis oamenilor de știință să studieze materia condensată, fizica atomică și mecanica statistică.
Când a fost sunat de Academie, Haldane s-a declarat surprins și mulțumit de onoare. „Această lucrare a fost cu mult timp în urmă, dar abia acum se întâmplă o mulțime de noi descoperiri extraordinare care se bazează pe această lucrare originală”, a spus el. Hansson a făcut ecou acele gânduri, menționând că oamenii de știință din întreaga lume folosesc acum aceste instrumente pentru a lucra către aplicații practice în electronică, materiale noi și chiar componente într-un nou computer cuantic.
Dar, în primul rând, a subliniat Hansson, premiul era menit să onoreze științele excepționale. „Au combinat matematica frumoasă și perspective profunde asupra fizicii, obținând rezultate neașteptate. Pentru asta este premiul ”, a adăugat el. „Este foarte frumos și este adânc.”
