Az anyag különleges fázisainak leírásáért ítélték oda a fizikai Nobel-díjat

J. Michael Kosterlitz, F. Duncan M. Haldane és David J. Thouless

A három díjazott brit kutató legjelentősebb eredménye, hogy a matematikai topológia módszereinek alkalmazásával képesek voltak a megmagyarázni az anyag különleges fázisainak – szupravezetők, szuperfolyadékok, igen vékony mágneses filmek – meglepő tulajdonságait, és ezzel egy teljesen új kutatási irányt nyitottak a kondenzált anyagok fizikájában.

Michael Kosterlitz és David Thouless első jelentős sikerüket e módszerek alkalmazásával az 1970-es években érték el, amikor a kor elfogadott elméletével szemben kimutatták, hogy vékony rétegekben is kialakulhat szupravezetés és szuperfolyékonyság, és képesek voltak magyarázni azt a melegítés során végbemenő folyamatot (fázisátmenetet) is, amelynek során az anyag elveszti e különleges tulajdonságait.

Az 1980-as években Thouless vékony, elektromosan vezető rétegek vezetőképességének lépésenkénti, ugrásszerű változását volt képes hasonló, topológiai alapokon nyugvó módszerekkel magyarázni. Körülbelül ebben az időben született meg Duncan Haldane fontos eredménye is, amelyben szintén topologikus módszerekkel magyarázta bizonyos anyagokban megjelenő apró mágnesek láncainak szokatlan viselkedését.

A későbbiekben e három fizikus munkájából kinövő tudományterület kutatói számos egyéb topologikus jelenségre bukkantak – immár nemcsak vékony rétegekben, de “hagyományos”, háromdimenziós anyagokban is. Az itt kapott eredmények fontos szerepet játszhatnak a jövő elektronikai eszközeinek gyártásánál, vagy akár a kvantumszámítógépek tervezésénél.

A teljes angol nyelvű sajtóanyag itt olvasható.

Dióhéjban a topológiáról

A topológia a matematika egyik meglehetősen elvont területe, azonban bizonyos vonatkozásai könnyen szemléltethetők. Ha például a környezetünkben levő, háromdimenziós tárgyakat próbáljuk egy topológus szemszögéből osztályozni, úgy érdemes tekintenünk őket, mintha végtelenül nyújtható gumiból lennének.

Így, ha a topológia világában biliárdozni megyünk, nem tudjuk megkülönböztetni a golyókat a dákótól, hiszen egy tömör rúd könnyedén átgyúrható egy tömör gömbbé. Ugyanebben a világban sajnos a söröskorsót sem tudjuk megkülönböztetni a közepén lyukas fánktól (tórusz) – ha gumiból lennének, ezeket is átgyúrhatnánk egymásba.

Azonban egy biliárdgolyóból még a topológia gumitörvényei között sem tudunk söröskorsót gyúrni. Vagyis ebben a világban a “fületlen” (gömb), “egyfülű” (korsó), "kétfülű" (szemüveg – de nem a füleink, hanem a szemeink miatt), "háromfülű" (perec) stb. tárgyak térnek el csak igazán egymástól.

Forrás: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Azoknál a fázisátmeneteknél, amelyeket a három friss Nobel-díjas fizikus vizsgált, az anyagnak, vagyis a fázist alkotó részecskék összességének ilyen, topológiai jellegű tulajdonságaik változtak meg. Ezek a hirtelen, lépcsőzetes változások (saját egyszerű példánkon: fületlenből egyfülűvé, majd kétfülűvé – de nincs közben egyharmadfülű vagy másfélfülű) magyarázták bizonyos tulajdonságok ugrásszerű módosulását a fázisátmenet során.