Βραβείο Νόμπελ για την Κβαντική Τοπολογία

Αποθήκευση

Τρεις φυσικοί τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής σήμερα για την επανεγγραφή της κατανόησής μας για τις εξωτικές κβαντικές καταστάσεις στις επιφάνειες των υλικών. Η εργασία τους εξηγεί τη συμπεριφορά των υπεραγωγών και των υπερρευστών συνδέοντας αυτά τα συστήματα με την τοπολογία, τη μαθηματική μελέτη των χωρικών ιδιοτήτων συμπεριλαμβανομένων των επιφανειών.

Το μισό βραβείο πηγαίνει στον David J. Thouless, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, ενώ το άλλο μισό θα μοιραστεί μεταξύ του J. Michael Kosterlitz, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Brown, και του F. Duncan M. Haldane, ενός φυσικού στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Και οι τρεις γεννήθηκαν στο Ηνωμένο Βασίλειο και αργότερα μετακόμισαν στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που μπορούν να μεταφέρουν ρεύμα χωρίς καμία ηλεκτρική αντίσταση. Οι επιστήμονες τα περιέγραψαν για πρώτη φορά στις αρχές του 20ου αιώνα. στα μέσα του αιώνα είχαν αναπτύξει μια κβαντική θεωρία για το πόσοι υπεραγωγοί συμπεριφέρονται. Όμως οι γρίφοι παρέμειναν.

Για παράδειγμα, το 1980 ο πειραματικός φυσικός Klaus von Klitzing ανακάλυψε το κβαντικό φαινόμενο Hall, ένα παράξενο φαινόμενο όπου η αγωγιμότητα ενός επίπεδου φύλλου υλικού, όταν ψύχεται κοντά στο απόλυτο μηδέν και τοποθετείται σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αλλάζει σταδιακά. μόδα. Καθώς το μαγνητικό πεδίο αλλάζει, η αγωγιμότητα του υλικού μεταπηδά από τιμή σε τιμή. Η συμπεριφορά δεν μπορούσε να εξηγηθεί από τους φυσικούς εκείνη την εποχή.

Λίγα χρόνια αργότερα, ο Thouless περιέγραψε το κβαντικό φαινόμενο Hall συνδυάζοντας την κβαντική θεωρία με έννοιες που δανείστηκαν από την τοπολογία. Αυτό το πεδίο των μαθηματικών μελετά τις ιδιότητες των αντικειμένων που παραμένουν σταθερές ακόμα κι αν το αντικείμενο είναι στριμμένο ή παραμορφωμένο, αλλά δεν έχει σχιστεί. Για παράδειγμα, ένα ντόνατ και μια κορνίζα φαίνονται διαφορετικά αλλά είναι τοπολογικά ίδια, καθώς το καθένα έχει μια τρύπα στο κέντρο. Είναι σημαντικό ότι τα αντικείμενα μπορούν να έχουν μόνο ακέραιους αριθμούς οπών — μηδέν, ένα ή δύο, για παράδειγμα, αλλά ποτέ μιάμιση τρύπα. Με τον ίδιο τρόπο, ο Thouless συνειδητοποίησε ότι τα ηλεκτρόνια μέσα στο αγώγιμο υλικό δεν μπορούσαν να θεωρηθούν ως μεμονωμένες οντότητες. Αντίθετα, έπρεπε να προσεγγιστούν ως μια ενιαία συλλογή που θα μπορούσε να λάβει μόνο ακέραιες τιμές αγωγιμότητας - μηδέν, ένα ή δύο, αλλά ποτέ ενάμιση. Thouless, οι Haldane και Kosterlitz πρωτοστάτησαν στη μαθηματική περιγραφή των κβαντικών υλικών σε λεπτές μεμβράνες και σε μονοδιάστατα αντικείμενα (όπως μια αλυσίδα ατόμων) δανειζόμενοι έννοιες όπως αυτή από την τοπολογία.

Αυτή η εργασία από τότε έχει εφαρμοστεί σε διαφορετικά συστήματα από τη μαγνητική ταινία έως τους κβαντικούς υπολογιστές. «Οι ανακαλύψεις αυτών των τριών επιστημόνων επέτρεψαν να σημειωθεί τεράστια πρόοδος στην κατανόηση και τον υπολογισμό των ιδιοτήτων πολλών υλικών συστημάτων. Στη δική μου περίπτωση, άνοιξε 25 χρόνια έρευνας σε μαγνητικές λεπτές μεμβράνες — για το οποίο αποθηκεύουν πληροφορίες οι σκληροί δίσκοι των υπολογιστών», δήλωσε ο Steve Bramwell, φυσικός στο University College του Λονδίνου, σε συνέντευξή του στον Guardian. Ο Haldane αναφέρθηκε σε μερικές από αυτές τις εφαρμογές σήμερα το πρωί. «Ήμουν, όπως όλοι οι άλλοι, πολύ έκπληκτος. Και πολύ ευχαριστημένος», είπε. "Πολλές τεράστιες νέες ανακαλύψεις που βασίζονται σε αυτό το πρωτότυπο έργο γίνονται τώρα."

Για περισσότερα σχετικά με αυτές τις ανακαλύψεις, συμπεριλαμβανομένης της εργασίας που έγινε στους λεγόμενους τοπολογικούς μονωτές, διαβάστε το άρθρο της Natalie Wolchover " Το παράδοξο κρύσταλλο μπερδεύει τους φυσικούς ."

Αποθήκευση