Дейвід Таулесс, Данкан Галдейн та Майкл Костерліц здобули цьогорічного Нобеля з фізики за «теоретичне відкриття топологічних фазових переходів та топологічних фаз речовини».
Нобелівські лауреати з фізики 2016 р. (зліва направо): Майкл Костерліц, Дейвід Таулесс та Данкан Галдейн
Дейвід Таулесс, Данкан Галдейн та Майкл Костерліц стали лауреатами цьогорічної Нобелівської премії з фізики за теоретичне пояснення екзотичних властивостей двовимірних матеріалів, відомих як топологічні фази.
Свої дослідження троє науковців здійснили ще в 1970–1980-х рр. Саме їм вдалося пояснити незвичні властивості, які експериментально відкрили в дуже тонких матеріалів. Це, зокрема, надпровідність — здатність проводити електричний струм без опору — та специфічні явища магнетизму. Сьогодні ці стани матерії активно досліджують для потенційного використання у квантових комп'ютерах та новому поколінні електроніки. Крім того, теорія, основи якої заклали Таулесс, Галдейн і Костерліц, дозволила створити топологічні ізолятори — особливі види матеріалів, які проводять електричний струм тільки на поверхні, а всередині є діелектриками.
Усі троє лауреатів для пояснення цих явищ застосували топологію — математичну теорію, що описує властивості, які залишаються незмінними, коли об'єкт піддається деформації, але не розриву. Подібно до вузла, зав'язаного всередині суцільного кола, якого не можна позбутися, не розрізавши коло, топологічні властивості дуже стійкі. Вихори в рідині, скажімо, легко переміщати, але дуже важко знищити. Таулесс та Костерліц, які в 1970-х працювали в Бірмінгемському університеті, використали топологію, щоб пояснити деякі типи фазових переходів. Впорядкування атомів у різних станах матерії — твердому, рідкому та газоподібному — має специфічні з погляду топології характеристики. У 1970-х наукова спільнота була переконана, що впорядковані двовимірні структури з атомів створити неможливо, адже термальні флуктуації мусять знищити будь-який порядок, навіть за температур, близьких до абсолютного нуля.
Але Таулесс та Костерліц довели, що фазові переходи, в яких разом зі зміною аґрегатних станів змінюються і топологічні властивості, можливі в дуже тонких шарах матеріалів. За допомогою цієї моделі вони передбачили, що в таких матеріалів за дуже низьких температур має з'являтися надпровідність, але щезати за вищих. Вони також пояснили механізм, що лежить в основі цього ефекту.
Цю теорію, звану переходом Костерліца-Таулесса-Березинського, можна застосувати до багатьох видів двовимірних матеріалів. Великий внесок у неї зробив український фізик Вадим Березинський (1935–1980), який би також претендував на премію, якби дожив до сьогодні.
У 1982 р. Таулесс також пояснив т. зв. квантовий ефект Голла. Цей ефект у 1980 р. відкрив німецький фізик Клаус фон Клітцінґ, який через п'ять років отримав за нього Нобелівську премію. Його суть у тому, що в тонких плівках, охолоджених до майже абсолютного нуля, електрони під впливом сильного магнітного поля рухаються надзвичайно впорядковано залежно від провідності, яка зростає стрибкоподібно разом з напруженістю магнітного поля. Тоулесс довів, що квантовий ефект Голла — це топологічний феномен. Зміни властивостей системи відбуваються гладко, але проходять раптовими стрибками, що з математичного погляду можна порівняти з деформацією топологічної системи.
Галдейн, своєю чергою, застосовував топологію до ланцюгів атомів у магнітному полі. Ці атоми мають квантову властивість — спіном. У 1982 р. науковець передбачив, що певні ланцюги атомів виявляють топологічні властивості, внаслідок яких атоми на їх краях набувають половину значення спіну. Оскільки ця квантова властивість залежить від колективного стану цілого ланцюга, а не від окремих частинок, то її можна використати для закодовування інфомації у квантових комп'ютерах.
Усі троє фізиків сьогодні працюють в Сполучених Штатах: Дейвід Таулесс — у Вашинґтонському університеті в Сіетлі, Майкл Костерліц — в Університеті Брауна (Род-Айленд), а Данкан Галдейн — у Прінстонському університеті в Нью-Джерсі. Вони розділять між собою призовий фонд премії, що становить 8 млн. шведських крон ($ 940,000), причому половина цієї суми дістанеться Таулессу, а решту порівну поділять Костерліц і Галдейн.
Elizabeth Gibney & Davide Castelvecchi
Physics of 2D exotic matter wins Nobel
Nature, 4/10/2016
Зреферував Євген Ланюк
06.10.2016