Nobliści z fizyki - pionierzy teoretycznych badań nad zjawiskami topologicznymi

David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane oraz J. Michael Kosterlitz otrzymali Nobla z fizyki za teoretyczne odkrycia dotyczące topologicznych przejść fazowych oraz topologicznych faz materii. W opinii ekspertów dali oni początek rozległej dziedzinie badań.

Dzięki odkryciom tegorocznych noblistów z dziedziny fizyki naukowcy lepiej zrozumieli właściwości materii. Teoretyczny postęp może się przełożyć na opracowanie nowych materiałów oraz postęp w konstruowaniu np. komputerów kwantowych - uzasadnił we wtorek Komitet Noblowski.

Połowę nagrody pieniężnej w wysokości 8 mln koron szwedzkich (czyli około 850 tysięcy euro) otrzyma David J. Thouless z University of Washington w Seattle, drugą połową podzielą się F. Duncan M. Haldane (Princeton University) oraz J. Michael Kosterlitz (Brown Universyity w Providence).

Aby wyjaśnić osobliwe zjawiska związane ze światem faz materii i przejść fazowych, David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz skorzystali z metod matematycznych, z topologii. Topologia to ważny dział matematyki zajmujący się badaniem własności, które nie ulegają zmianie nawet po radykalnym zdeformowaniu obiektów, takich jak figury geometryczne, bryły i obiekty o większej liczbie wymiarów.

Stosując zaawansowane metody matematyczne tegoroczni laureaci analizowali osobliwe stany materii - nadprzewodniki przewodzące prąd elektryczny bez oporu, superciecze pozbawione lepkości oraz cienkie warstwy magnetyczne.

Kosterlitz i Thouless badali zjawiska obecne w "płaskim" świecie: na powierzchniach albo wewnątrz warstw tak cienkich, że można je uznać za dwuwymiarowe w porównaniu z trójwymiarowymi (które mają długość, szerokość i grubość), i z jakimi stykamy się na co dzień. Haldane badał również materię, która tworzy nici tak cienkie, że można je uznawać za jednowymiarowe.

W latach 80. David Thouless i Duncan Haldane zaprezentowali przełomowe prace teoretyczne, które zakwestionowały dotychczasowe teorie dotyczące tego, jakie materiały mogą przewodzić prąd elektryczny. Thouless używając topologii opisał kwantowy efekt Halla – zmiany oporu zachodzące w cienkich przewodzących warstwach umieszczonych pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnika w bardzo silnym polu magnetycznym i przy temperaturze w pobliżu zera bezwzględnego. Okazało się, że zmiany te mogą przyjmować tylko ściśle określone, całkowite wartości (1, 2, 3…), bez stanów pośrednich. Topologia okazała się właściwym kluczem do wyjaśnienia tej zagadki – elektrony w warstwie przewodzącej pomiędzy warstwami półprzewodnika poruszają się swobodnie, tworząc tzw. topologiczną ciecz kwantową. Zmiany oporu są właśnie kwantowe - zachodzą stopniowo, a nie w sposób ciągły.

Kolejne teoretyczne odkrycie miało miejsce w roku 1988, gdy Duncan Haldane odkrył, że topologiczne ciecze kwantowe (takie jak ta związana z kwantowym efektem Halla) mogą tworzyć się w cienkich warstwach półprzewodnika nawet bez obecności pola magnetycznego. W roku 2014 udało się potwierdzić eksperymentalnie wyniki Haldane’a, badając zachowanie atomów schłodzonych niemal do temperatury zera bezwzględnego.

David Thouless, fizyk zajmujący się materią skondensowaną, po ukończeniu Winchester College kształcił się w college'u Trinity Hall na brytyjskim Cambridge University, gdzie w 1955 r. uzyskał licencjat. Następnie przez cztery lata prowadził badania nad materią jądrową pod kierunkiem Hansa Bethe na Cornell University, na którym w 1958 r. uzyskał tytuł doktorski. Po kilku latach spędzonych na University of California w Berkeley, pracował (w latach 1965-1978) jako prof. fizyki matematycznej na brytyjskim Birmingham University. Tam współpracował z drugim tegorocznym noblistą z fizyki J. Michaelem Kosterlitzem. Od roku 1980 jest profesorem (obecnie emerytowanym) fizyki na University of Washington w Seattle.

Frederick Duncan Michael Haldane urodził się w Londynie 14 września 1951 r. Studiował na uniwersytecie w Cambridge, gdzie w roku 1978 zrobił doktorat. W latach 1977–1981 pracował w Institut Laue-Langevin w Grenoble, 1981–1985 był starszym wykładowcą fizyki University of Southern California. Później przez dwa lata (1985-87) pracował w słynnych Bell Laboratories, by następnie - już jako profesor fizyki przenieść się do University of California w San Diego (1987-90). Od roku 1990 jest profesorem fizyki Princeton University. Przez dziewięć lat (1990-99) był też związany z Aspen Center for Physics.

Michael Kosterlitz jest absolwentem Cambridge University i Oxford University, gdzie w 1969 zrobił doktorat z fizyki cząstek elementarnych (fizyki wysokich energii). Prowadził również badania w Instituto di Fisica Teorica we włoskim Torino, a także na Cornell University, Princeton University, Bell Telephone Laboratories i Harvard University. Pracował na Wydziale Fizyki Matematycznej University of Birmingham, gdzie współpracował z drugim noblistą - Davidem Thoulessem. Od 34 lat J. Michael Kosterlitz jest profesorem fizyki na amerykańskim Brown University w Providence (Rhode Island, USA).

Kosterlitz poproszony przez agencję AP o skomentowanie przyznania mu nagrody, powiedział: "To był kawał roboty, którą wykonałem jako naprawdę głupi post-doc (doktor odbywający staż podoktorski - przyp. PAP)". Haldane ocenił, że jego praca jest swego rodzaju podstawą. "To bardzo teoretyczne badania. Nabrały znaczenia dzięki rozszerzeniom dokonanym przez innych naukowców" - podkreślił.

Prof. Tomasz Dietl z Instytutu Fizyki PAN ocenił w rozmowie z PAP, że nobliści byli pionierami, jeśli chodzi o teoretyczne badania nad zjawiskami topologicznymi. Badania nad tą dziedziną nabrały jednak znaczenia w ostatnich latach. "To jest nagroda spodziewana, to nie jest zaskoczenie" - skomentował. Z kolei dla prof. Jakuba Tworzydło z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki jest mocno teoretyczna i zaskakująca. "Przyznano ją za piękny kawałek fizyki, myślenia i kultury matematycznej, ale odkrycia noblistów na życie codzienne na razie się nie przekładają" - powiedział badacz.

Prace tegorocznych noblistów dały początek rozległej dziedzinie badań, przyczyniając się do rozwoju nowych koncepcji, aparatu matematycznego i metod obliczeniowych - ocenił w rozmowie z PAP fizyk teoretyk, dziekan Wydziału Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej, prof. Arkadiusz Wójs. Dodał, że na uhonorowanie tej tematyki liczył już w zeszłym roku. (PAP)