Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2016 год была прысуджана Дэвіду Дж. Бязлессу, Ф. Дункану, М. Галдану і Дж. Майклу Костэрліцу,

Шокер: Нобелеўская прэмія па фізіцы датычыцца тапалогіі матэрыялаў, а не гравітацыйных хваль!

Калі вы робіце стаўку на LIGO, вы робіце памылку. Як і ўсе.

"" Тапалогія - гэта лёс ", - сказаў ён і паклаў скрыні. Адна нага ў той час. " -Ніл Стывенсан

Тыдзень таму сёння была абвешчана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2016 год: палова Дэвіду Дж. Бязглуздаму, па чвэрць Ф. Дункану, М. Халдану і Дж. Майкла Костэрліцу, за тэарэтычныя адкрыцці тапалагічных фазавых пераходаў і тапалагічных фаз матэрыі. Гэта выклікала вялікія засмучэнні, бо ўсе чакалі, што Нобелеўская прэмія пойдзе ў розныя супрацоўнікі LIGO, якія ў пачатку гэтага года абвясцілі аб першых выяўленых гравітацыйных хвалях ад зліцця чорных дзірак. У гэтым годзе Нобелеўскі камітэт пайшоў з больш практычнай боку да навукоўцаў, якія ўвялі ў дзеянне здольнасць ствараць кантраляваныя "дзіркі" або дэфекты ў квантавых механічных станах рэчывы, званыя кандэнсатамі. Іх даследаванні прывялі да прарываў у матэрыялазнаўстве і фізіцы кандэнсаваных рэчываў, а таксама абяцаюць зрабіць рэвалюцыю ў электроніцы. Адзначаецца 24-ы год запар, што прыз уручаецца некалькім асобам, і 53-ы год запар, калі жанчыны былі адхілены ад прыза.

Гравітацыя, якой кіруе Эйнштэйн, і ўсё астатняе (моцнае, слабое і электрамагнітнае ўзаемадзеянне), якое кіруецца квантавай фізікай, - гэта два незалежныя правілы, якія кіруюць усім у нашай Сусвеце. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя паскаральніка SLAC.

У Сусвеце ёсць сэнс: агульная адноснасць Эйнштэйна, якая кіруе гравітацыйнай сілай і эвалюцыяй касмічнага часу, і квантавая механіка, якая кіруе іншымі трыма асноўнымі сіламі і ўсімі іншымі ўзаемадзеяннямі, фазамі і ўласцівасцямі матэрыі. У той час як уся фізічная супольнасць была недарэчная з першым непасрэдным выяўленнем гравітацыйных хваль, даўняе прадказанне тэорыі Эйнштэйна пацвердзілася ў пачатку гэтага года, адбыліся выдатныя адкрыцці, прарывы ​​і прымяненне ў тым, якія новыя стану матэрыі могуць быць створаны - і якія яны можа дасягнуць чалавецтва - адбываецца бесперапынна. Хоць большасць з нас думае пра тры фазы матэрыі, цвёрдай, вадкай і газавай, ёсць чацвёрты стан, якое ўзнікае, калі вы занадта моцна разаграваеце газ: плазму. Але, наадварот, для некаторых тыпаў рэчываў у прыродзе ёсць фазы, якія занадта моцна астуджаюць матэрыял: кандэнсат. У адрозненне ад усіх іншых станаў матэрыі, кандэнсаты праяўляюць унікальныя ўласцівасці, якія не сустракаюцца больш нідзе ў прыродзе.

У той час як цвёрдыя рэчывы, вадкасці і газы могуць быць найбольш распаўсюджанымі рэчывамі, пры вельмі нізкіх тэмпературах могуць узнікаць кандэнсаты з унікальнымі фізічнымі ўласцівасцямі. Малюнак: © Johan Jarnestad / Каралеўская шведская акадэмія навук.

Квантовая фізіка была неверагоднай рэвалюцыяй у тым, як мы глядзім на свет, вучыў нас гэтаму:

  • Прырода дыскрэтная, не суцэльная, складаецца з асобных, фундаментальных часціц, званых квантамі.
  • Менавіта гэтыя кванты маюць некалькі ўласцівых ім уласцівасцей, якія ніколі не могуць быць зменены: спіна, электрычны зарад, каляровы зарад, водар і г.д.
  • І калі вы робіце з іх кампазітныя часціцы або сістэмы, узнікаюць новыя квантавыя ўласцівасці: такія рэчы, як арбітальны імпульс, кута, изоспин і ненулявыя фізічныя памеры, напрыклад.

Але адна з самых цікавых рэчаў заключаецца ў тым, што ўласцівасці гэтых часціц і іх узаемадзеянне могуць выглядаць неверагодна рознымі, калі абмежаваць тое, што яны могуць зрабіць, да двух вымярэнняў - плоскай паверхні - а не да звычайных трох.

Уласцівасці двухмернай сістэмы ў экстрэмальных умовах зараз - неверагодна актыўная і плённая вобласць даследаванняў. Малюнак: VS Pribiag et al., Nature Nanotechnology 10, 593–597 (2015), «Звышправоднасць краёвага рэжыму ў двухмерным тапалагічным ізалятары».

Доўгі час лічылася, што звышправоднасць і сверхтекучесть, два нізкатэмпературныя ўласцівасці некаторых тыпаў рэчывы альбо з нулявым супраціўленнем, альбо з нулявой глейкасцю, адпаведна, патрабуюць цалкам трохмернага матэрыялу для прапрацоўкі. Але ў 1970-х Майкл Костэрліц і Дэвід Туліс выявілі, што яны не толькі могуць узнікаць у тонкіх двухмерных пластах, але і выявілі механізм фазавага пераходу, дзякуючы якому звышправоднасць знікае пры дастаткова высокіх тэмпературах. З меншай ступенню свабоды і меншымі памерамі для перамяшчэння часціц, сіл і ўзаемадзеянняў квантавыя механічныя сістэмы на самай справе становяцца лягчэй вывучаць. Ураўненні, якія складана вырашыць у трох вымярэннях, часта становяцца значна лягчэйшымі толькі ў двух; іншыя раўнанні, якія немагчыма вырашыць у трох вымярэннях, на самай справе маюць вядомыя рашэнні ў двух.

Палявая канфігурацыя закрутак ілюструе тапалагічны дэфект. Звярніце ўвагу, што няспыннае змяненне кірункаў кручэння можа пераўтварыць гэта ў канфігурацыю, дзе ўсе спіны накіраваны ўверх. Малюнак: Карын Эвершор-Сітэ і Маціяс Сітэ.

Як вядома, многія часціцы, квазічастицы і сістэмы часціц дзейнічаюць аналагічна "тапалагічным дэфектам", якія з'яўляюцца "дзіркамі" (для 0-мернага дэфекту) альбо "струнамі" (для 1-мернага дэфекту), якія праходзяць праз 2D або 3D-прастора. Прымяняючы матэматыку тапалогіі да гэтых нізкатэмпературных сістэм, можна прадказаць новыя тапалагічныя фазы.

Пры вельмі нізкіх тэмпературах тапалагічныя дэфекты ў двухмернай кандэнсаванай сістэме часта спалучаюцца пры нізкіх тэмпературах, што пры больш высокіх тэмпературах не назіраецца. Малюнак: © Johan Jarnestad / Каралеўская шведская акадэмія навук.

Характар ​​пераходу з нізкатэмпературных станаў (там, дзе ўтвараюцца віхравыя пары), у высокатэмпературныя (у якіх пары становяцца незалежнымі) падпарадкоўваецца правілам фазавага пераходу Костэрліца-Бязглуздага. Спалучэнне квантавай фізікі з тапалогіяй прыводзіць да шэрагу фізічна цікавых рэчаў, якія адбываюцца ў асобных, цэлых кроках. У гэтых кроках адбываецца праводнасць тонкага электраправоднага матэрыялу. Ланцужкі дробных магнітаў паводзяць сябе тапалагічна. Правілы фазавага пераходу паўсюдна прымяняюцца да ўсіх тыпаў матэрыялаў у двух вымярэннях. У 1980-я гады Костэрліц выявіў сувязь праводнасці, у той час як Дункан Холдэн выявіў тапалагічныя ўласцівасці малых магнітных ланцугоў. Хоць прыкладанні зараз распаўсюджваюцца і на іншыя сферы фізікі - статыстычную механіку, атамную фізіку і, спадзяюся, неўзабаве, на электроніку і квантавыя камп'ютэры - фізіка, якая ляжыць у аснове гэтага дыскрэтнага паводзін матэрыі ў меншых вымярэннях, кіруецца тымі ж тапалагічнымі правіламі, што і любая матэматычная сістэма.

Тапалогія - гэта галіна матэматыкі, якая цікавіцца ўласцівасцямі, якія мяняюцца паэтапна, як і колькасць дзірак у вышэйзгаданых аб'ектах. Тапалогія стала ключом да адкрыццяў Нобелеўскіх лаўрэатаў, і яна тлумачыць, чаму электраправоднасць у тонкіх пластах мяняецца цэлымі крокамі. Малюнак: © Johan Jarnestad / Каралеўская шведская акадэмія навук.

Гэтыя новыя ўласцівасці могуць праяўляць сябе толькі пры вельмі халодных тэмпературах і пры наяўнасці вельмі высокіх магнітных палёў, але гэта не робіць іх прыродай менш фундаментальнай, чым уласцівасці, якія мы назіраем традыцыйна. Квантовы эфект Хола, той факт, што "цэлыя" квантавыя магніты з'яўляюцца тапалагічнымі, у той час як "паўцелымі" - не, і што вы можаце вызначыць характар ​​квантавага магніта, проста вывучыўшы яго краю, усё гэта было дасягнута прызамі ў гэтым годзе трыо. Новыя і нечаканыя віды матэрыялу былі выяўлены, абапіраючыся на свае даследаванні, у тым ліку тапалагічныя ўласцівасці, якія распаўсюджваюцца на цалкам 3D матэрыялы. У цяперашні час актыўна даследуюцца тапалагічныя ізалятары, тапалагічныя звышправаднікі і тапалагічныя металы з магчымасцю рэвалюцыі ў галіне электронікі і вылічэнняў, калі яны будуць паспяхова задзейнічаны.

Альфрэд Нобель, вынаходнік дынаміту і ўладальнік 355 патэнтаў, створаны ў 1895 г. сваім жаданнем распрацаваць фонд Нобелеўскай прэміі і правілы, у адпаведнасці з якімі ён павінен кіравацца. Пасля яго смерці ў 1896 годзе прэмія ўручаецца штогод з 1901 года, за выключэннем адбываюцца толькі выпадкі, калі Нарвегія была акупавана падчас Другой сусветнай вайны. Крэдыт малюнка: © Nobel Media AB 2016.

Калі распрацоўваў Нобелеўскую прэмію, Альфрэд Нобель заявіў, што ён павінен ісці да адкрыцця, якое адказвае "за найбольшую карысць чалавецтву". Навука тут не толькі даказаная, яна добра на шляху да змены спосабу, якім мы як людзі жывем у паўсядзённым жыцці. Хоць, безумоўна, існуе вельмі вялікая колькасць заслугоўваючых каманд, людзей і адкрыццяў, сёлета Нобелеўская прэмія нагадвае нам пра дзве асноўныя прычыны, якія мы ўкладваем у фундаментальную навуку так моцна: за веды і сацыяльныя выгоды мы можам атрымаць усё чалавецтва. У гэтым годзе позірк таму, што дзіўных рэчаў, якія мы даведаліся пра матэрыю ў экстрэмальных умовах, паказвае нам, наколькі далёка нашы веды прыйшлі, а погляд на тое, якія прыкладання гэта можа прынесці, натхняе нас на наступнае пакаленне квантавых тэхналогій. Мы вызначаем нявызначаную будучыню.

Гэтая публікацыя ўпершыню з'явілася ў Forbes і прадастаўляецца вам прыхільнікамі Patreon без рэкламы. Каментуйце наш форум і купіце нашу першую кнігу: Beyond The Galaxy!