Få opdagelsesrejsende har kørt ned i fremmed verdener end de tre nyeste nobelpristagere, der netop vandt dette års Nobelpris for fysik. Disse fremtrædende fysikere er blevet hædret for deres arbejde med nogle af de mest eksotiske tilstande, og giver mening om dets grundlæggende mysterier og åbner døre for nutidens æra med efterforskning og udvikling af nye materialer som topologiske metaller, isolatorer og superledere.
Relateret indhold
- Hvad kræver det at vinde en nobelpris? Fire vindere, i deres egne ord
Det Kongelige Svenske Akademi for Videnskaber tildelte i fællesskab prisen med den ene halvdel til David J. Thouless, University of Washington og den anden halvdel til F. Duncan M. Haldane, Princeton University og J. Michael Kosterlitz fra Brown University “ til teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og topologiske faser af stof. ”Hvis det lyder abstrakt for dig, er du ikke alene: Vinderne har opnået så esoterisk karakter, at et udvalgsmedlem søgte at demonstrere dem ved hjælp af en række morgenmadsbrød.
Thouless, Haldane og Kosterlitz arbejder i en surrealistisk del af den fysiske verden, der måske kan beskrives som ”fladerne.” Denne verden findes på overfladerne af stof, eller inden i lag så tynde, at de i det væsentlige er to-dimensionelle; faktisk fokuserer nogle af Haldanes værker på tråde, der er så tynde, at de dybest set er en-dimensionelt. Her tager sagen nogle af sine mærkeligste former.
I løbet af 1970'erne og 1980'erne afslørede forskerne hemmeligheder om de mærkelige former, der findes i denne verden, herunder superledere, superfluider og tynd magnetisk film. I morges forklarede Stockholms Universitetsfysiker Thors Hans Hansson, medlem af Nobelkomiteen for Fysik, det elegante matematiske koncept, de brugte til de prisvindende opdagelser ved hjælp af en kanelbolle, en bagel og en kringle.
Topologi er et matematiksystem, der fokuserer på egenskaber, der kun ændres ved veldefinerede trin. I Hanssons eksempel med morgenmad er det, der er vigtigt, at bolle ikke har noget hul, baglen har et hul og kringlen har to huller. ”Antallet af huller er det, som topologen ville kalde en topologisk invariant, ” forklarede Hansson på nyhedskonferencen. ”Du kan ikke have et halvt hul eller to og to tredjedele af et hul. En topologisk invariant kan kun have heltal. ”
Det viser sig, at mange aspekter af eksotisk stof også holder sig til dette to-hullers koncept.
I 1982 brugte Thouless denne idé til at forklare den mystiske kvante Hall-effekt af elektrisk ledning. I et tyndt lag ved meget lave temperaturer og et højt magnetfelt viste det sig, at elektrisk ledningsevne indbyggede enheder, der kunne måles med ekstrem præcision: først intet, derefter en enhed, derefter to enheder. Du har ikke bevist, at trinene til denne virkning kan forklares med en topologisk invariant. Det fungerede med multipla af et heltal, ligesom det uforanderlige antal huller i eksemplet med morgenmad.
I 1988 skubbede Duncan Haldane denne forskningsgrænse til en ny grænse og opdagede, at tynde halvlederlag kan huse kvante Hall-effekten, selv uden magnetfelt.
Pristagernes forskning afslørede også nye faser af stof, der kan ses ved temperaturer nær absolut nul (-273 ° C). I 1983 afslørede Haldane et sæt magnetiske atomer i en kæde - den første type nye topologiske stoffer, der nogensinde er blevet opdaget. Denne branche lancerede et løbende løb for at opdage nye topologiske faser af stof, der er skjult i lag, kæder og almindelige tredimensionelle materialer.
Disse opdagelser kan i dag betragtes som abstrakte eller eksotiske, men de kan en dag bane vejen for opdagelsen af uundværlige, almindelige materialer, siger Hansson. ”Hvad der er eksotisk for os nu, er måske ikke så eksotisk om 20 eller 30 år, ” fortalte han journalisten Joanna Rose øjeblikke efter meddelelsen. ”Elektricitet var meget eksotisk, da det først kom rundt, og det er ikke så eksotisk længere.”
Topologi har fornyet vores traditionelle forståelse af, hvordan sagen ændrer tilstande. Generelt sker der en faseændring, når temperaturen ændrer sig, dvs. når vandet fryser. Men ved ekstremt kolde temperaturer giver de kendte tilstande - gasser, væsker og faste stoffer - plads til bizarre nye faser og opførsel. Elektriske strømme kan flyde uden modstand, hvilket muliggør superlederen. Nye materielle faser som superfluider (som russiske Pyotr Kapitsa vandt Nobelprisen i fysik i 1978) kan spin i hvirvler, der aldrig bremser.
I løbet af 1970'erne opdagede Thouless og Kosterlitz en helt ny måde, hvorpå materie kan flytte fra en stat til en anden i dette mærkelige område - en topologisk overgang drevet af små hvirvler, som små tornadoer inden for det flade materiale. Ved lave temperaturer danner hvirvler par, som derefter pludselig adskiller sig fra hinanden for at spin af på egen hånd, når temperaturen stiger til et overgangspunkt.
Denne overgang, kaldet “KT-overgangen”, blev et revolutionerende værktøj, der gjorde det muligt for forskere at studere kondenseret stof, atomfysik og statistisk mekanik.
Da han blev ringet af akademiet, erklærede Haldane sig overrasket og glad for æren. ”Dette arbejde var for længe siden, men det er først nu, at en masse enorme nye opdagelser, der er baseret på dette originale værk, nu sker, ” sagde han. Hansson gentog disse tanker og bemærkede, at forskere over hele verden nu bruger disse værktøjer til at arbejde hen imod praktiske anvendelser inden for elektronik, nye materialer og endda komponenter i en ny kvantecomputer.
Men først og fremmest, understregede Hansson, var prisen beregnet til at ære enestående videnskab. ”De kombinerede smuk matematik og dyb indsigt i fysik og opnåede uventede resultater. Det er det, prisen er for, ”tilføjede han. ”Det er virkelig smukt, og det er dybt.”
