Weinig ontdekkingsreizigers hebben zich in vreemdere werelden verdiept dan de drie nieuwste Nobelprijswinnaars, die zojuist de Nobelprijs voor natuurkunde van dit jaar hebben gewonnen. Deze vooraanstaande natuurkundigen zijn vereerd voor hun werk aan enkele van de meest exotische toestanden van materie, waarbij ze de fundamentele mysteries begrijpen en deuren openen voor het tijdperk van exploratie en ontwikkeling van vandaag voor nieuwe materialen zoals topologische metalen, isolatoren en supergeleiders.
gerelateerde inhoud
- Wat is er nodig om een Nobelprijs te winnen? Vier winnaars, in hun eigen woorden
De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen heeft de prijs gezamenlijk uitgereikt. De ene helft ging naar David J. Thouless van de University of Washington en de andere helft naar F. Duncan M. Haldane, Princeton University en J. Michael Kosterlitz van Brown University “ voor theoretische ontdekkingen van topologische fase-overgangen en topologische fasen van materie. ”Als dat abstract klinkt voor u, bent u niet de enige: de prestaties van de winnaars waren zo esoterisch dat een commissielid probeerde ze te demonstreren met behulp van een scala aan ontbijtbroden.
Thouless, Haldane en Kosterlitz werken in een surrealistisch deel van de fysieke wereld dat kan worden omschreven als 'de vlakke gebieden'. Deze wereld bevindt zich op de oppervlakken van materie, of in lagen zo dun dat ze in wezen tweedimensionaal zijn; in feite concentreert een deel van Haldane's werk zich op draden die zo dun zijn dat ze in principe eendimensionaal zijn. Hier neemt materie een aantal van haar vreemdste vormen aan.
In de jaren zeventig en tachtig onthulden de wetenschappers geheimen van de vreemde vormen in dit rijk, waaronder supergeleiders, supervloeistoffen en dunne magnetische film. Vanmorgen legde fysicus Thors Hans Hansson van Stockholm, lid van het Nobel Committee for Physics, het elegante wiskundige concept uit dat ze gebruikten voor de prijswinnende ontdekkingen met behulp van een kaneelbroodje, een bagel en een krakeling.
Topologie is een systeem van wiskunde dat zich richt op eigenschappen die alleen veranderen met goed gedefinieerde incrementen. In het voorbeeld van Hansson's ontbijtvoer is het belangrijk dat het broodje geen gat heeft, de bagel heeft één gat en de krakeling heeft twee gaten. "Het aantal gaten is wat de topoloog een topologische invariant zou noemen, " verklaarde Hansson op de persconferentie. “Je kunt geen halve hole hebben, of twee en tweederde van een hole. Een topologische invariant kan alleen gehele getallen hebben. '
Het blijkt dat veel aspecten van exotische materie zich ook houden aan dit concept met één en twee gaten.
In 1982 gebruikte Thouless dit idee om het mysterieuze kwantum Hall-effect van elektrische geleiding te verklaren. Binnen een dunne laag bij zeer lage temperaturen en een hoog magnetisch veld, werd gevonden dat elektrische geleiding eenheden inbouwde die met extreme precisie konden worden gemeten: eerst niets, dan één eenheid, dan twee eenheden. U heeft bewezen dat de stappen van dit effect kunnen worden verklaard door een topologische invariant. Het werkte door veelvouden van een geheel getal, net als het onveranderlijke aantal gaten in het voorbeeld van het ontbijtvoedsel.
In 1988 verlegde Duncan Haldane deze onderzoekslijn naar een nieuwe grens en ontdekte dat dunne halfgeleiderlagen het quantum Hall-effect kunnen huisvesten zelfs zonder magnetisch veld.
Het onderzoek van de laureaten onthulde ook nieuwe fasen van materie die te zien zijn bij temperaturen nabij het absolute nulpunt (-273 ° C). In 1983 ontdekte Haldane een reeks magnetische atomen in een keten - het eerste type nieuwe topologische materie dat ooit is ontdekt. Die prestatie lanceerde een voortdurende race om nieuwe topologische fasen van materie te ontdekken die verborgen zijn in lagen, ketens en gewone driedimensionale materialen.
Deze ontdekkingen kunnen tegenwoordig als abstract of exotisch worden beschouwd, maar ze zouden ooit de weg kunnen effenen voor de ontdekking van onmisbare, alledaagse materialen, zegt Hansson. "Wat exotisch voor ons is, is over 20 of 30 jaar misschien niet zo exotisch, " vertelde hij journalist Joanna Rose enkele ogenblikken na de aankondiging. "Elektriciteit was heel exotisch toen het voor het eerst opkwam en het is niet meer zo exotisch."
Topologie heeft ons traditionele begrip van hoe materie van staat verandert vernieuwd. Over het algemeen treedt een faseverandering op wanneer de temperatuur verandert, dwz wanneer water bevriest. Maar bij extreem koude temperaturen maken de bekende toestanden van materie - gassen, vloeistoffen en vaste stoffen - plaats voor bizarre nieuwe fasen en gedragingen. Elektrische stromen kunnen stromen zonder weerstand, waardoor de supergeleider mogelijk wordt. Nieuwe materiële fasen zoals superfluids (waarvoor de Russische Pyotr Kapitsa de Nobelprijs voor de natuurkunde 1978 heeft gewonnen) kunnen draaien in draaikolken die nooit vertragen.
In de jaren 1970 ontdekten Thouless en Kosterlitz een volledig nieuwe manier waarop materie zich van de ene staat naar de andere kan verplaatsen in dit vreemde gebied - een topologische overgang aangedreven door kleine draaikolken, zoals kleine tornado's in het platte materiaal. Bij lage temperaturen vormen de vortexen paren, die dan plotseling van elkaar scheiden om vanzelf weg te spinnen wanneer de temperatuur stijgt naar een overgangspunt.
Deze overgang, de "KT-overgang" genoemd, werd een revolutionair hulpmiddel waarmee wetenschappers gecondenseerde materie, atoomfysica en statistische mechanica konden bestuderen.
Toen hij werd gebeld door de Academie, verklaarde Haldane zich verrast en tevreden met de eer. "Dit werk was lang geleden, maar het is nu pas dat er een heleboel geweldige nieuwe ontdekkingen plaatsvinden die gebaseerd zijn op dit originele werk ...", zei hij. Hansson herhaalde die gedachten en merkte op dat wetenschappers over de hele wereld deze tools nu gebruiken om te werken aan praktische toepassingen in elektronica, nieuwe materialen en zelfs componenten in een nieuwe kwantumcomputer.
Maar eerst en vooral, benadrukte Hansson, was de prijs bedoeld om uitzonderlijke wetenschap te eren. “Ze combineerden prachtige wiskunde en diepgaande inzichten in natuurkunde, waardoor onverwachte resultaten werden behaald. Daar is de prijs voor, 'voegde hij eraan toe. "Het is echt mooi en het is diep."
