Дверь в неизведанный мир: объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике

Лауреаты поделят между собой 8 миллионов шведских крон (931 тысяча долларов США): половина денежного приза достанется Дэвиду Таулесу, вторую половину поделят Хэлдэйн и Костерлиц.

Иллюстрация Niklas Elmehed, фото Lovisa Engblom.

Благодаря топологии физики описали ТФП в тонком слое охлаждённого вещества. Открытие разрушения пары вихрь-антивихрь при изменении температуры стало один из крупнейших открытий в физике твёрдого тела в XX веке.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Мы привыкли видеть в окружающем мире газ, жидкость и твёрдое состояние веществ, но при экстремально высоких и экстремально низких температурах появляются новые фазы с необычными свойствами.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Математика позволила учёным описать электрическую проводимость в тонких слоях как некое целочисленное свойство, изменяющееся с определённым шагом: как ступеньки на лестнице отличаются от гладкой горки. Изменение показано в виде увеличения количества дырок.

Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Представители Шведской королевской академии наук объявили имена обладателей Нобелевской премии по физике 2016 года: премию присудили Дэвиду Таулесу, а также Дункану Хэлдэйну (Duncan Haldane) и Майклу Костерлицу (Michael Kosterlitz) за "теоретические открытия топологических фазовых переходов (ТФП) и топологических фаз вещества". Таулес получит половину премии, вторую половину разделят между собой Хэлдэйн и Костерлиц. Учёным удалось раскрыть секреты экзотической материи.

На сайте Нобелевского комитета отмечается, что лауреаты этого года смогли открыть двери в неизвестный мир, в котором материя может принимать странные состояния. Учёные использовали передовые математические методы для исследования необычных фаз (или состояний) материи – например, возникающих при сверхпроводимости или сверхтекучести.

Благодаря новаторским работам физиков, которые проводились в 70-е годы прошлого века, сегодня ведутся работы по поиску новых, экзотических фаз материи. Многие исследователи надеются, что подобные работы в будущем пригодятся исследователям, работающим в науках о материалах и с электроникой. Определённые надежды также связываются с квантовыми компьютерами и для их разработки знания, полученные Таулесом, Костерлицем и Хэлдэйном, также очень важны.

Использование топологических концепций в физике всеми трёмя лауреатами было решающим моментом в их открытиях. Поясним. Топология – это раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур (или пространств), которые сохраняются при непрерывных деформациях, таких, например, как растяжение, сжатие или изгиб. В этом разделе не рассматриваются метрические свойства объектов (например, расстояние между парой точек). Более важным для топологии являются понятия гомеоморфизма и гомотопии – можно сказать, что это типы деформации, происходящие без разрывов и склеиваний.

Иными словами, топология описывает свойства, которые остаются неизменными, когда объект растянут, перекручен и деформирован, но не когда он разорван. Например, исходя из понятий топологии, сфера и чашка относятся к одной и той же категории, поскольку шарообразный кусок глины можно превратить в чашку (смотри рисунок ниже). Однако бублик с дыркой посередине и кофейная чашка с отверстием в ручке принадлежат уже к другой категории — они также могут быть модифицированы друг в друга.

Математика позволила учёным описать электрическую проводимость в тонких слоях как некое целочисленное свойство, изменяющееся с определённым шагом: как ступеньки на лестнице отличаются от гладкой горки. Изменение показано в виде увеличения количества дырок.
Математика позволила учёным описать электрическую проводимость в тонких слоях как некое целочисленное свойство, изменяющееся с определённым шагом: как ступеньки на лестнице отличаются от гладкой горки. Изменение показано в виде увеличения количества дырок.
Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Таким образом, топологические объекты в зависимости от категории могут содержать одно отверстие или сразу несколько, но их число всегда должно быть целым. Это важно, мы вернёмся к этому чуть позже.

Именно этот вывод оказался полезным в описании поведения электропроводимости при квантовом эффекте Холла.

Используя топологию в качестве инструмента, учёным удалось поразить коллег-экспертов. В начале 1970-х годов Костерлиц и Таулес "свергли" тогдашнюю теорию, согласно которой, сверхпроводимость и сверхтекучесть не могут возникнуть в тонких слоях. Учёные продемонстрировали, что сверхпроводимость может существовать при низких температурах и также объяснили фазовый переход, который заставляет сверхпроводимость исчезать при высоких температурах.

Благодаря топологии физики описали ТФП в тонком слое охлаждённого вещества. Открытие разрушения пары вихрь-антивихрь при изменении температуры стало один из крупнейших открытий в физике твёрдого тела в XX веке.
Благодаря топологии физики описали ТФП в тонком слое охлаждённого вещества. Открытие разрушения пары вихрь-антивихрь при изменении температуры стало один из крупнейших открытий в физике твёрдого тела в XX веке.
Иллюстрация Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

В 1980-х годах Таулес смог объяснить происходящее в очень тонких электропроводящих слоях (то есть в двумерных материалах), в которых проводимость изменялась как целочисленные значения. Он показал, что целочислительность была топологической по своей природе. И примерно в то же время Хэлдэйн обнаружил, как топологические понятия могут быть использованы для понимания свойств образующихся в материале цепочек из маленьких "магнитов".

Сегодня мир знает о многих топологических фазах, не только в тонких слоях, но и также в обыкновенных объёмных, или трёхмерных, материалах. В последние десятилетия интерес к этой области исследований физики конденсированного состояния сильно возрос, во многом из-за надежды, что топологические материалы могут оказаться полезными для создания электроники и сверхпроводников нового поколения.

Ещё одна область исследований, которая стала пользоваться популярностью, благодаря теоретическим изысканиям нобелевских лауреатов — топологические изоляторы. Эти материалы не проводят электрический ток в своем объёме, только в тонком слое у поверхности. Считается, что такие необычные материалы могут использоваться в квантовых компьютерах как носители информации. Интересно то, что сначала их существование было доказано опять же в теории, и только потом они были обнаружены в реальных экспериментах.

Добавим, что в 2015 году Нобелевскую премию по физике получили Такааки Кадзита из Японии и Артур Макдональд из Канады, которые открыли осцилляции нейтрино, свидетельствующие о наличии у них массы.

Вчера также было объявлено имя нобелевского лауреата по медицине и физиологии, объяснившего природу всеобщего "самоедства".