Нобелову награду за физику 2016. поделили су Дејвид Таулес, Данкан Холдејн и Мајкл Костерлиц за открића о фазним прелазима у такозваним танким слојевима, до којих су дошли применом топологије
Текст: Борис Клобучар*
Овогодишњу Нобелову награду за физику добили су британски физичари Дejвид Тaулeс, Данкан Хoлдејн и Мајкл Костерлиц, за теоријска открића такозваних тополошких фазних прелаза, који су у последњим деценијама XX века изузетно допринела разумевању егзотичне физике танких слојева.
О чему је реч? Каква егзотична стања су проучавали овогодишњи лауреати?
Ако погледамо атоме воде у леду, односно атоме воде у чврстом стању, видимо да су распоређени збијено, у кристалну решетку. Ако мало повећамо температуру молекули ће почети слободније да се крећу и вода ће прећи у течно стање. Ако наставимо да загревамо воду, она прелази у треће агрегатно стање и постаје гас, у ком се молекули крећу далеко хаотичније.
Понашање честица добро је познато у овим стањима, односно фазама. Прелазак из једног стања у друго зато називамо фазним прелазом. Међутим, у посебним случајевима, када су температуре јако ниске или када радимо са материјалима чија је дебљина само један слој атома ствари постају нешто компликованије, а механизми фазних прелаза битно другачији.
Захваљујући пионирском раду овогодишњих нобеловаца Дejвида Тaулeса, Данкана Хoлдејна и Мајкла Костерлица, данас боље разумемо механизме који у овим случајевима доводе до суперпроводности и суперфлуидности. Њих тројица су у различитим радовима од почетка осамдесетих година прошлог века па надаље дали теоријску подлогу која је касније експериментално и показана.
Сарадник из Србије
Нобелова награда за физику из године у годину афирмише различите физичке науке и притом, будући да физика не настаје радом само једног појединца, прећутно награђује читаву мрежу истраживача који директно или индиректно сарађују са Нобеловцима. Ове године се догодило да се међу сарадницима из најближег научног окружења лауреата налази и један истраживач пореклом из Србије, са Института за физику у Београду. Наиме, физичар Златко Папић који је докторирао на Универзитету у Београду и француском Универзитету Париз Суд, а дисертацију радио под менторством Милице Миловановић из Лабораторије за примену рачунара у науци (SCL) на Институту за физику, потписан је као ко-аутор на више радова са Нобеловцем Данканом Холдејном. Након постдокторских студија на Универзитету Принстон, доктор Папић тренутно предаје на Универзитету у Лидсу. (С.Б.)
Тaулeс и Костелиц потпуно су преокренули тадашње разумевање фазних прелаза у танким (приближно једноатомским) слојевима материјала. Наиме, до тада су научници претпостављали да температурне флуктуације у оваквим слојевима (који се налазе на јако ниским температурама) потпуно пониште свако уређење честица од којих су направљене.
Тaулeс и Костелиц су одлучили да проуче феномен из перспективе топологије, што је једна област у математици. Ова два нобеловца, користећи тополошке методе, показали су да су за фазне прелазе у оваквим дводимензионим материјалима одговорни такозвани вортекси (вртлози).
На ниским температурама вртлози се увек јављају у паровима један до другог. Међутим са повећањем температуре они почињу да се одвајају. То, та околност, заправо представља – фазни прелаз. Јако важно за ове такозване КТ прелазе (Костелиц-Тaулeс) јесте да су универзални, то јест не зависе од материјала.
Захваљујући томе било је могуће теоријски објаснити постојање суперпроводних способности материјала на јако ниским температурама. Настављајући се на овај теоријски рад, Данкан Хoлдејн је са Тaулeсом дао теоријски квантномеханички метод за одређивање који то материјали могу проводити наелектрисање.
Током конференције у Стокхолму, члан Нобеловог комитета Торс Ханс Хансон, покушао је врло пластично да објасни концепт топологије. Он је на презентацију донео једну крофну, један ђеврек и перецу. Ова три пецива су за нас, наиме, веома различита – једно је слатко, друго слано, треће има житарице по себи. Међутим, са тополошке стране они се разликују само по једном параметру – крофна нема отворе, ђеврек има један, а переца два. И то је једина разлика. Дакле са тополошког становишта, лопта и чинија, на пример, су иста ствар, јер оба немају отворе па се једна може трансформисати у другу. Лопта и обруч, с друге стране, не спадају у исту групу.
Одређене промене магнетног поља или температуре неће променити особине материјала са тополошког становишта, као и када би крофну развлачили у палачинку. Међутим у одређеном тренутку у тој палачинки би настала рупа, што је са тополошке стране нови ниво. Ова промена аналогна је скоку проводности. Сада поново ту палачинку са рупом можемо обликовати у ђеврек, обруч или било шта друго, али је за топологе то све исто док се ђеврек поново не поцепа па добијемо перецу.
Управо користећи топологију, Дejвид Тaулeс је објаснио феномен познат као Холов ефекат. Рад тројице научника током година дао је бројне резултате, а међу неким од будућих примена помињу се тополошки изолатори и тополошки суперпроводници. Ови материјали требало би да побољшају карактеристике пре свега електронских компоненти и у многоме унапреде како рачунарску тако и друге гране индустрије. Још једна од поменутих примена ове теорије је у квантним рачунарима.
Дejвид Тaулeс рођен је 1934. године у Берсдену у Енглеској. Докторске студије завршио је на Корнел Универзитету, а тренутно ради на два универзитета, у Вашингтону и Сијетлу.
Ф. Данкан Хoлдејн рођен је 1951. године у Лондону, а докторирао је на универзитету Кембриџ. Тренутно ради на универзитету Принстон у САД.
Ј. Мајкл Костелиц је рођен 1942. године у Абердину, а докторирао је на универзитету Оксфорд. ради као професор физике на универзитету Браун.
*Текст је допуњен новим информацијама пет сати након објављивања, у 20.30, 4. октобра, уз мање корекције у транскрипцији имена (прим. ур.)
 |
Сваке године, током прве недеље октобра у Стокхолму се додељује пет престижних награда које је својим завештањем успоставио шведски научник Алфред Нобел. Награде се саопштавају од понедељка до петка, увек истим редом: медицина, физика, хемија, књижевност и мир. Првог следећег понедељка објављује се и додатна награда у Ослу, за економију. Као и претходних година, из дана у дан, Елементаријум прати Нобелову недељу. |