Få oppdagere har gått i dybden i fremmed verden enn de tre nyeste nobelpristakerne, som nettopp vant årets nobelpris for fysikk. Disse fremtredende fysikerne har fått æren for sitt arbeid med noen av de mest eksotiske tilstandene i saken, og gir mening om dets grunnleggende mysterier og åpner dører for dagens epoke av leting og utvikling for nye materialer som topologiske metaller, isolatorer og superledere.
Relatert innhold
- Hva skal til for å vinne en nobelpris? Fire vinnere, med egne ord
Det kongelige svenske vitenskapsakademi delte ut prisen sammen med den ene halvparten til David J. Thouless, fra University of Washington, og den andre halvparten til F. Duncan M. Haldane, fra Princeton University og J. Michael Kosterlitz fra Brown University “ for teoretiske funn av topologiske faseoverganger og topologiske faser av materie. ”Hvis det høres abstrakt ut for deg, er du ikke alene: Vinnernes prestasjoner var så esoteriske at ett komitémedlem prøvde å demonstrere dem ved hjelp av en rekke frokostbrød.
Thouless, Haldane og Kosterlitz arbeider i en surrealistisk del av den fysiske verden som kan beskrives som "flatlandene." Denne verden finnes på overflatene av materie, eller i lag så tynne at de i hovedsak er todimensjonale; faktisk, noen av Haldanes arbeider fokuserer på tråder så tynne at de i utgangspunktet er endimensjonale. Her tar saken noen av de merkeligste former.
I løpet av 1970- og 1980-årene avslørte forskerne hemmeligheter om de underlige formene som finnes i dette riket, inkludert superledere, superfluider og tynn magnetisk film. I morges forklarte Stockholms universitetsfysiker Thors Hans Hansson, medlem av Nobelkomiteen for fysikk, det elegante matematiske konseptet de brukte til de prisbelønte funnene ved bruk av en kanelbolle, en bagel og en kringle.
Topologi er et matematikksystem som fokuserer på egenskaper som bare endres ved veldefinerte trinn. I Hanssons eksempel på frokostmat er det som er viktig at bunken ikke har noe hull, bagelen har ett hull og kringlen har to hull. "Antallet hull er det topologen vil kalle en topologisk invariant, " forklarte Hansson på nyhetskonferansen. “Du kan ikke ha et halvt hull, eller to og to tredjedeler av et hull. En topologisk invariant kan bare ha heltall. ”
Det viser seg at mange aspekter ved eksotisk materie også holder seg til dette ett-hulls, to-hulls konseptet.
I 1982 brukte Thouless denne ideen til å forklare den mystiske kvante Hall-effekten av elektrisk ledning. I et tynt lag ved veldig lave temperaturer og et høyt magnetisk felt ble det funnet elektrisk ledningsevne som bygger inn enheter som kunne måles med ekstrem presisjon: først ingenting, deretter en enhet, deretter to enheter. Du bevist at trinnene med denne effekten kan forklares med en topologisk invariant. Det fungerte med flere tall, i likhet med det uforanderlige antall hull i frokostmateksemplet.
I 1988 presset Duncan Haldane denne forskningsgrensen til en ny grense, og oppdaget at tynne halvlederlag kan huse kvante Hall-effekten selv uten magnetfelt.
Pristagernes forskning avslørte også nye faser av materie som kan sees ved temperaturer nær absolutt null (-273 ° C). I 1983 avdekket Haldane et sett magnetiske atomer i en kjede - den første typen nye topologiske stoffer som noen gang er oppdaget. Den bragden startet et pågående løp for å oppdage nye topologiske faser av materie gjemt i lag, kjeder og vanlige tredimensjonale materialer.
Disse funnene kan i dag betraktes som abstrakte eller eksotiske, men de kan en dag bane vei for oppdagelsen av uunnværlige, vanlige materialer, sier Hansson. "Det som er eksotisk for oss nå, er kanskje ikke så eksotisk om 20 eller 30 år, " sa han til journalisten Joanna Rose øyeblikk etter kunngjøringen. "Elektrisitet var veldig eksotisk da den først kom, og den er ikke så eksotisk lenger."
Topologi har fornyet vår tradisjonelle forståelse av hvordan materie endrer tilstander. Generelt skjer en faseendring når temperaturen endres, dvs. når vannet fryser. Men ved ekstremt kalde temperaturer gir de kjente stofftilstandene - gasser, væsker og faste stoffer - plass for bisarre nye faser og oppførsel. Elektriske strømmer kan flyte uten motstand, noe som gjør superlederen mulig. Nye materialfaser som superfluider (som russiske Pyotr Kapitsa vant 1978 Nobelprisen i fysikk for) kan spinne i virveler som aldri bremser.
I løpet av 1970-tallet oppdaget Thouless og Kosterlitz en helt ny måte som materie kan flytte fra en stat til en annen i dette rare området - en topologisk overgang drevet av små virvler, som ørsmå tornadoer i det flate materialet. Ved lave temperaturer danner virvelene par, som så plutselig skiller seg fra hverandre for å spinne av på egen hånd når temperaturen stiger til et overgangspunkt.
Denne overgangen, kalt “KT-overgangen”, ble et revolusjonerende verktøy som gjorde det mulig for forskere å studere kondensert stoff, atomfysikk og statistisk mekanikk.
Da han ble ringt av akademiet, erklærte Haldane seg overrasket og fornøyd med æren. "Dette arbeidet var for lenge siden, men det er først nå som det skjer mange enorme nye funn som er basert på dette originale verket ..." sa han. Hansson gjentok disse tankene og la merke til at forskere over hele verden nå bruker disse verktøyene for å jobbe mot praktiske applikasjoner innen elektronikk, nye materialer og til og med komponenter i en ny kvantecomputer.
Men først og fremst, understreket Hansson, var prisen ment å hedre eksepsjonell vitenskap. De kombinerte vakker matematikk og dyptgående innsikt i fysikk, og oppnådde uventede resultater. Det er det prisen er for, ”la han til. "Det er veldig vakkert og dypt."
