Βραβείο Nobel 2016 στη Φυσική: Επειδή ανακάλυψαν τα μυστικά της εξωτικής ύλης

Τα βραβεία Nobel της φετινής (2016) χρονιάς άνοιξαν την πόρτα σε έναν άγνωστο κόσμο στον οποίο η ύλη μπορεί να θεωρηθεί ότι βρίσκεται σε περίεργες καταστάσεις (φάσεις). Οι βραβευθέντες χρησιμοποίησαν προχωρημένες μαθηματικές μεθόδους για να μελετήσουν ασυνήθιστες φάσεις (ή καταστάσεις) της ύλης, όπως υπεραγωγοί, υπερρευστά και λεπτά μαγνητικά φιλμ. Χάρις στην πρωτοπόρα εργασία τους η αναζήτηση τώρα οδηγείται στην ύπαρξη νέων και εξωτικών φάσεων της ύλης. Πολλοί ευελπιστούν για μελλοντικές εφαρμογές και στην επιστήμη των υλικών και στα ηλεκτρονικά.

Αποφασιστικός παράγων για τις ανακαλύψεις των τριών βραβευθέντων υπήρξε η χρήση των τοπολογικών εννοιών στη Φυσική. Η τοπολογία είναι ένας κλάδος των μαθηματικών που περιγράφει ιδιότητες οι οποίες αλλάζουν μόνο με βήματα. Χρησιμοποιώντας την τοπολογία ως εργαλείο, οι βραβευθέντες, μπόρεσαν να εκπλήξουν τους ειδικούς. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, οι Michael Kosterlitz και David Thouless ανέτρεψαν την τότε ισχύουσα θεωρία ότι η υπεραγωγιμότητα ή η υπερρευστότητα δεν μπορούσε να συμβεί σε λεπτά στρώματα. Έδειξαν ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να συμβεί σε χαμηλές θερμοκρασίες και επίσης εξήγησαν το μηχανισμό, τη φάση μετάβασης, που κάνει την υπεραγωγιμότητα να εξαφανίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Στη δεκαετία του 1980, ο Thouless μπόρεσε να εξηγήσει ένα προηγούμενο πείραμα με πολύ λεπτά ηλεκτρικά αγώγιμα στρώματα στα οποία η αγωγιμότητα είχε μετρηθεί με ακρίβεια ως ακέραια βήματα. Έδειξε ότι αυτοί οι ακέραιοι ήταν στη φύση τους τοπολογικοί. Στο ίδιο περίπου χρονικό διάστημα, ο Duncan Haldane ανακάλυψε πως οι τοπολογικές έννοιες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κατανοηθούν οι ιδιότητες αλυσίδων (σειρών) μικρών μαγνητών που βρίσκονται σε ορισμένα υλικά.

Οι βραβευθέντες (κατά σειρά) David J. Thouless (University of Washington), F. Duncan M. Haldane (Princeton University), J. Michael Kosterlitz (Brown University)

Τώρα, γνωρίζουμε πολλές τοπολογικές φάσεις (καταστάσεις), όχι μόνο σε λεπτά στρώματα και νήματα, αλλά επίσης σε συνηθισμένα τρισδιάστατα υλικά. Κατά την τελευταία δεκαετία, η περιοχή αυτή έχει δώσει ώθηση στην έρευνα πρώτης γραμμής στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, κυρίως εξαιτίας της ελπίδας ότι τα τοπολογικά υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στις νέες γενιές των ηλεκτρονικών και των υπεραγωγών ή στους μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές. Η τρέχουσα έρευνα αποκαλύπτει τα μυστικά της ύλης στους εξωτικούς κόσμους που ανακαλύφθηκαν από τους φετινούς βραβευθέντες με το Nobel Φυσικής.

Πηγή: Nobel Foundation

Περισσότερα στις δημοσιεύσεις (Αυτή τη περίοδο ελεύθερα):

(1) Quantized Hall Conductance in a Two-Dimensional Periodic Potential. D. J. Thouless, Mahito Kohmoto, M. P. Nightingale, and M. Den Nijs Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982)

(2) Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed-Matter Realization of the “Parity Anomaly”. F. D. M. Haldane Phys. Rev. Lett. 61, 2015 (1988)

(3) Nonlinear Field Theory of Large-Spin Heisenberg Antiferromagnets: Semiclassically Quantized Solitons of the One-Dimensional Easy-Axis Néel State. F. D. M. Haldane Phys. Rev. Lett. 50, 1153 (1983)

(4) Universal jump in the superfluid density of two-dimensional superfluids. David R. Nelson and J. M. Kosterlitz Phys. Rev. Lett. 39, 1201 (1977)

(5) Quantized hall conductance as a topological invariant. Qian Niu, D. J. Thouless, and Yong-Shi Wu Phys. Rev. B 31, 3372 (1985)