"Фізика площин" виграє в 2016 році Нобелівську премію

На подив багатьох, в цьому році Нобелівську премію з фізики отримали троє вчених, які зробили новаторські досягнення в галузі топологічної фізики, досліджуючи незвичайні властивості, які виникають в матерії, коли вона обмежується 2D поверхонь або тонким шаром, яку потім охолоджують до екстремальних температур. Девід Таулесс отримав половину премії, в той час як Майкл Костерліц і Дункан Холдейн розділили іншу половину. Це дещо незвичний розподіл виходить з того, що Костерліц і Холдейн працювали над різними проблемами в цій галузі, в той час як Таулесс працював над обома.

Костерліц і Таулесс

У 1970-ті роки, Костерліц і Таулесс довели, що надпровідність може статися в тонких шарах. Один важливий висновок, суперечив панівній думці експертів в той час. У теорії їх явище визиваєтся вихровими парами, щоб пояснити надпровідність при низьких температурах відповідно. Вихори можуть утворювати пари, які врівноважують один одного і запобігають дисипативну втрату опору.

Одна цікава річ про ці вихрові пари в тому, що вони з'єднуються за допомогою "лінії", яка проходить в третій вимір і допомагає тримати їх стабільними, коли ця "лінія" розриваєтся, вихори втрачають свою характерну стабільність і швидко розсіюються. Аналогічне правило справедливе і в фізиці електромагнітних вихрових пар в провіднику. При досить низьких температурах, ці пари можуть утворюватися, що дозволяє надпровідність, потік електрики без опору або втрати енергії у вигляді тепла. Коли температура піднімається вище критичної позначки, зв'язки розриваються і вихори віддаляються один від одного, дотримуючись інших правил, ніж у їх спареної форми.

Костерліц і Таулесс описали топологічний фазовий перехід, який супроводжує надпровідність, де поверхня червоного поля в змозі підтримувати тісні пари вихорів, що дозволяє току текти без опору.

Таулесс і квантовий ефект Холла

Робота Таулеса не закінчуються на 2D надпровідності. Його розуміння топології привели його до пояснення однієї з найбільш загадкових властивостей експериментальної фізики - квантового ефекту Холла. Ефект є явище, в якому електрична провідність тонкого матеріалу в сильному магнітному полі змінюється тільки в дискретних скачках, подвоєння, а потім потроєння і т.д. Така поведінка спантеличила вчених, але Таулесс мав рішення, допустивши рішення зосереджені на топології матеріалу, який враховується для прояву квантового ефекту при такому великому масштабі.

Холдейн і спінові ланцюжки

Таулесс і Костерліц досліджували дивний світ 2D матеріалів, але третій лауреат цього року, Дункан Холдейн, розвив вимір далі. На додаток до доказу того, що квантовий ефект Холла може виникнути без зовнішнього магнітного поля, Холдейн використовував математику для вивчення одновимірних ланцюжків атомів, які також мають потенціал, щоб відобразити незвичайні топологічні властивості. Робота Холдейна на початку 1980-х років показала, що ланцюжки магнітних атомів відображають різні властивості в залежності від спіна атомів. Беруть участь спін-1 частки показали топологічні ефекти, в той час як спін-1/2 частки немає.

Квантово-механічний спін може бути важко зрозуміти, але швидке і просте пояснення цього полягає в наступному: уявіть собі стрілу, яка пронизала м'яч, так що стрілка спрямована вгору - це вектор спіна частки, і частка "розкручується". Тепер, якщо ця частка є спін-1, обертаючи цю частку на 180° буде знижувати "спін" частку, а обертання на 360° призведе вектор спіна назад туди, де вона почалася, спрямована вгору. Це все красиво і інтуїтивно. Спін-1/2, де це стає дивно - якщо частка має "напівціле" обертання, обертання «спін вгору» частки на 360° допоможе вам знизити «спін» частку, яка повинна бути повернена на ще 360°, щоб повернеться в початковий стан.