Скачки в абсолютном холоде: за что дали «нобелевку» по физике

В столице Швеции объявили лауреатов Нобелевской премии по физике 2016 года. Ее получили Дэвид Таулес, Дункан Халдейн и Джон Костерлиц за работы в области «топологического фазового перехода и топологических фаз материи». Все они — британцы. в настоящий момент работающие в США. Таулес получит половину премии, а вторую половину разделят между собой Халдейн и Костерлиц.

За что дали премию

Лауреаты Нобелевской премии по физике использовали сложные математические методы для изучения необычных фаз (состояний) материи — сверхпроводников, сверхтекучих жидкостей и тонких магнитных пленок. Ключом к открытиям всех лауреатов стала топология – раздел математики, изучающий свойства пространств, которые остаются неизменными при непрерывных трансформациях. В начале 1970-х годов Костерлиц и Таулес опровергли господствующую тогда теорию, согласно которой сверхпроводимость и сверхтекучесть не могут происходить в тонких слоях. Они также объяснили, почему (как раз из-за фазового перехода) сверхпроводимость исчезает при повышении температуры.

В 1980-х Таулес смог объяснить данные известного эксперимента, в котором проводимость в тонких пленках изменялась скачками. Таулес показал, что они по своей природе являются топологическими. Примерно в те же годы Халдейн применил топологические понятия для объяснения свойств цепочек небольших магнитов, которые были обнаружены в некоторых материалах. В последние годы топологические материалы применяются в разработке новых электронных устройств, сверхпроводников и квантовых компьютеров.

«Нобелевская премия по физике вручена за исследование вихревых структур в разных типах конденсированных сред: в сверхпроводниках, гелии и магнетиках. Таулес и Костерлиц специализируются на сверхпроводниках и гелии, Халдейн же исследовал вихревые структуры в магнетиках. Люди эти очень известные, и премия, безусловно, заслужена. Вообще говоря, есть ещё одно имя. Топологический переход, за который и была вручена премия, носит название Березинского — Костерлица — Таулеса. Вадим Львович Березинский, всемирно известный советский физик, скончался ещё в 1980 году, но внес большой вклад в общее дело. О нем обязательно нужно помнить», — подчеркивает доктор физико-математических наук Дмитрий Хохлов, заведующий кафедрой общей физики и физики конденсированного состояния МГУ.

Аномалии плоского мира

Все лауреаты 2016 года изучали феномены, связанные с необычными фазами (состояниями) материи – в сверхпроводниках, сверхтекучих жидкостях и тонких магнитных пленках. Так, Костерлиц и Таулес исследовали происходящее в «плоском мире» – на поверхности или внутри необычайно тонких пленок, которые, в отличие от большинства объектов макромира, можно считать двухмерными. Халдейн также исследовал нити – настолько тонкие, что их можно принять за одномерные.

Физика «плоских земель» очень сильно отличается от обычной физики макромира. Скопления атомов ведут себя очень необычно. Одним из важнейших инструментов для объяснения их поведения стала (именно благодаря нынешним лауреатам) топология — область математики, которая изучающий свойства пространств, которые остаются неизменными при непрерывных трансформациях.

Очень странные явления возникают также при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю (-273° по Цельсию). Там на макроуровне начинают обнаруживаться феномены квантовой физики, обычно ограниченные рамками микромира. При низких температурах ученые обнаружили новые и необычные фазы материи, отличающиеся от канонической троицы (твердое – жидкое – газообразное).

Так, еще в 1930-е годы советский физик Петр Капица провел эксперимент: он охладил жидкий гелий до -270° по Цельсию и обнаружил, что это вещество приобрело поразительное свойство. Речь идет сверхтекучести: способност протекать через узкие щели и капилляры без трения. За это открытие ему была присуждена Нобелевская премия 1978 года.

Однако долгое время физики считали, что в плоских, де-факто двухмерных материалах температурные колебания разрушают любые структуры – поэтому там невозможны ни четкие фазы, ни фазовые переходы. В начале 1970-х Таулес и Костерлиц, работая в Бирмингемском университете, поставили эту теорию под сомнения. Они представили модель, которая впоследствии получила названия топологического фазового перехода – или БКТ-перехода. «Б» в этой аббревиатуре обозначает советского физика Вадима Березинского, который независимо от британских ученых сформулировал эту идею.

Топологический фазовый переход в корне отличается от, например, таяния льда. Главную роль в нем играют квантовые вихри в плоском материале. При низких температурах они сцеплены в пары, однако когда начинается «потепление», вихри начинают отходить друг от друга и отправляются, образно выражаясь, в свободное плавание по веществу. Привлекательность этой теории связана с тем, что она применима не только к физике конденсированных сред, но и к атомной физике и статистической механике.

Бублики и скачки

В 1980-е годы Таулес смог дать теоретическое объяснение так называемому квантовому эффекту Холла — проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Экспериментально его открыт в 1980-м году немецкий физик Клауус фон Клитцинг. Он изучал тонкий проводящий слой между двумя сверхпроводниками, где электроны охладили до температуры, лишь на несколько градусов превышающий абсолютный ноль.

При сверхнизких температурах нередко запускаются необычные явления: например, многие материалы получают свойства магнитов. Дело в том, что все атомные магнитики в веществе сразу начинают ориентироваться в одном направлении, что приводить к появлению сильного магнитного поля (которое легко измерить). Однако квантовый эффект Холла показал на первый взгляд необъяснимые параметры: проводимость в тонком слое принимала только определенные значения, причем очень точные, что редко встречается в физике. Далее, при ослаблении магнитного поля электропроводимость менялась скачками: усиливалась вдвое, потом втрое, потом в четыре раза и так далее.

Таулес решил загадку этих «скачков» с помощью топологии. Этот раздел математики описывает свойства объекта, которые остаются неизменными при его деформации (растягивании, сжатии и тому подобное), но не разрыве. С точки зрения топологии шар и стакан принадлежат к одной и той же категории, так как комок глины можно легко превратить в стакан. Однако бублик и чашка (с дыркой в ручке) относятся уже к другой категории. Таким образом, топологические объекты отличаются количеством дырок – но оно всегда измеряется целым числом. Член Нобелевского комитета наглядно продемонстрировал эту идею, показывая аудитории булочку, бублик и крендель. Данное свойство оказалось полезным при описании скачков электрической проводимости: эти сдвиги всегда кратны целым числам.

Вклад Халдейна

При квантовом эффекте Холла электроны достаточно свободно перемещаются в слое между полупроводниками и образуют так называемую топологическую квантовую жидкость. В 1988 году Халдейн предположил, что такие жидкости могут возникать в тонких полупроводящих слоях даже при отсутствии магнитного поля. Только в 2014 году эта гипотеза подтвердилась экспериментально. Кроме того, в 1980-е годы Халдейн применил такой же топологический аппарат для объяснения свойств одномерных магнитных цепочек.

«Когда вручаются групповые премии, тематику пытаются объединить достаточно искусственно. Таулес, Халдейн и Костерлиц занимаются и занимались существенно разными вещами. Халдейн знаменит прежде всего работами по одномерным структурам, то есть просто цепочками, это могут быть, например, магнитные атомы. Фокус в том, что давно придуманные стандартные физические методы для работы с обычными трехмерными объектами для одномерных структур совсем не работают. Для них нужно придумывать совершенно отдельные методы», — рассказал Indicator.Ru доцент кафедры низких температур и сверхпроводимости МГУ имени М.В. Ломоносова Андрей Андрианов.

Одними из главных претендентов на Нобелевскую премию по физике считались ученые из коллаборации LIGO, открывшие гравитационные волны — Райнер Вайсс, Рональд Древер и Кип Торн, однако им премия не была присуждена. По мнению экспертов, это могло произойти из-за того, что присуждение премии ученым из коллаборации LIGO нарушило бы существующий регламент. По правилам прием заявок на Нобелевские премии начинается с сентября предшествующего года и заканчивается 31 января текущего. Формально гравитационные волны зарегистрировали 14 сентября 2015 года, но официальное заявление было сделано только 11 февраля следующего года. «В Нобелевском комитете, по всей видимости, есть свои представления о том, за что давать премию, мы можем об этом только догадываться, потому что они ничего не хотят раскрывать и правильно делают. Наверняка многие активно поддерживали гравитационные волны, но скорее всего их просто отложили на следующий год. Возможно, хотят подождать еще одного подтверждения, поскольку пока было только два», — прокомментировал решение Нобелевского комитета Андрианов.