מעטים חוקרים שהתעמקו בעולמות זרים משלושת זוכי הנובל החדשים ביותר, שזכו זה עתה בפרס נובל לפיזיקה השנה. פיזיקאים בולטים אלה זכו לכבוד על עבודתם בכמה מצבים של חומר אקזוטיים ביותר, תוך שהם מביאים היכרות עם תעלומותיה הבסיסיות ופותחים דלתות לעידן החקר והפיתוח של ימינו עבור חומרים חדשים כמו מתכות טופולוגיות, מבודדים ומוליכי-על.
תוכן קשור
- מה צריך כדי לזכות בפרס נובל? ארבעה זוכים, במילים שלהם
האקדמיה השבדית המלכותית למדעים העניקה את הפרס במשותף עם מחצית האחת שהגיעה לדוד ג'יי תאולוס, מאוניברסיטת וושינגטון, והחצי השני לפ 'דאנקן מ. האלדאן, מאוניברסיטת פרינסטון וג'ייקל מייקל קוסטרליץ מאוניברסיטת בראון " עבור תגליות תיאורטיות של מעברים שלביים טופולוגיים ושלבי טופולוגיה של חומר. "אם זה נשמע לך מופשט, אתה לא לבד: הישגי הזוכים היו כה אזוטריים, עד שחבר ועדה אחד ביקש להפגין אותם באמצעות שלל לחמי ארוחת בוקר.
Thouless, Haldane, and Kosterlitz עובדים בחלק סוריאליסטי של העולם הפיזי שאולי יתואר כ"שטחים ". העולם הזה נמצא על משטחי החומר, או בתוך שכבות כה דקות עד שהם למעשה דו מימדיים; למעשה, חלק מהעבודות של Haldane מתמקדות בחוטים דקים עד שהם בעצם חד ממדיים. כאן החומר לובש כמה מהצורות המוזרות ביותר שלו.
במהלך שנות השבעים והשמונים חשפו המדענים סודות של הצורות המוזרות שנמצאו בתחום זה, כולל מוליכי-על, נוזלים-עליים וסרט מגנטי דק. הבוקר הסביר הפיזיקאי מאוניברסיטת שטוקהולם, ת'ורס הנס הנסון, חבר ועדת נובל לפיזיקה, את התפיסה המתמטית האלגנטית בה השתמשו לתגליות שזכו בפרסים בעזרת לחמניית קינמון, בייגל ובייגלה.
טופולוגיה היא מערכת מתמטיקה המתמקדת בתכונות שמשתנות רק על ידי הגדלות מוגדרות היטב. בדוגמה של אוכל ארוחת הבוקר של הנסון, מה שחשוב הוא שללחמנייה אין חור, לבייגל יש חור אחד ובייגלה יש שני חורים. "מספר החורים הוא מה שהטופולוג היה מכנה תערובת טופולוגית", הסביר הנסון בוועידת החדשות. "לא יכול להיות לך חצי חור, או שניים ושני שליש של חור. פולש טופולוגי יכול לכלול מספרים שלמים בלבד. "
מסתבר כי היבטים רבים של חומר אקזוטי דבקים גם במושג זה עם שני חוריים.
בשנת 1982, Thouless השתמש ברעיון זה כדי להסביר את ההשפעה המסתורית של Hall Hall של המוליכות החשמלית. בתוך שכבה דקה בטמפרטורות נמוכות מאוד ובשדה מגנטי גבוה, נמצא כי מוליכות חשמלית בנויה ביחידות שניתן למדוד בדיוק רב: קודם כלום, אחר כך יחידה אחת, אחר כך שתי יחידות. הוכיחו שאתה יכול להסביר את הצעדים של השפעה זו על ידי פולש טופולוגי. זה עבד על ידי כפולות של מספר שלם, בדומה למספר החורים הבלתי ניתן להחלפה בדוגמא של אוכל ארוחת הבוקר.
בשנת 1988 דנקן האלדאן דחף את קו המחקר הזה לגבול חדש, וגילה ששכבות מוליכים למחצה דקיקים יכולות לאכלס את אפקט הול הקוונטים גם ללא שדה מגנטי.
מחקרי הזוכים הראו גם שלבים חדשים של חומר שניתן לראות בטמפרטורות הנמצאות בקרבת אפס מוחלט (-273 מעלות צלזיוס). בשנת 1983 חשף האלדאן שרשרת אטומים מגנטיים בשרשרת - הסוג הראשון של חומר טופולוגי חדש שהתגלה אי פעם. ההישג הזה פתח במירוץ מתמשך לגילוי שלבים טופולוגיים חדשים של חומר החבוי בתוך שכבות, שרשראות וחומרים תלת מימדיים רגילים.
תגליות אלה יכולות להיחשב כיום מופשטות או אקזוטיות, אך הן יכולות יום אחד לסלול את הדרך לגילוי חומרים הכרחיים, שבשגרה, אומר הנסון. "מה שאקזוטי לנו עכשיו אולי לא יהיה כל כך אקזוטי בעוד 20 או 30 שנה", אמר לעיתונאית ג'ואנה רוז רגעים לאחר ההכרזה. "החשמל היה מאוד אקזוטי כשהוא התגלה לראשונה וזה כבר לא כל כך אקזוטי."
הטופולוגיה חידשה את ההבנה המסורתית שלנו כיצד החומר משנה מצבים. באופן כללי, שינוי פאזה מתרחש כאשר הטמפרטורה משתנה, כלומר כאשר מים קופאים. אך בטמפרטורות קרות במיוחד, מצבי החומר המוכרים - גזים, נוזלים ומוצקים - מפנים את מקומם לשלבים והתנהגויות מוזרות חדשות. זרמים חשמליים יכולים לזרום ללא התנגדות, מה שמאפשר את מוליך העל. שלבים חומריים חדשים כמו נוזלים נלווים (שעבורם זכה פיוטר קפיטסה הרוסי בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1978) יכולים להסתובב במערבולות שלא מאטות אף פעם.
במהלך שנות השבעים גילו תאולס וקוסטרליץ דרך חדשה לחלוטין בה החומר יכול לעבור ממדינה למדינה באזור מוזר זה - מעבר טופולוגי המונע על ידי מערבולות קטנות, כמו טורנדו זעיר בתוך החומר השטוח. בטמפרטורות נמוכות המערבולות יוצרים זוגות אשר נפרדים זה מזה לפתע בכוחות עצמם כאשר הטמפרטורה עולה לנקודת מעבר.
המעבר הזה, שכונה "מעבר ה- KT", הפך לכלי מהפכני שאפשר למדענים ללמוד חומר מרוכז, פיזיקה אטומית ומכניקה סטטיסטית.
כאשר טילפן על ידי האקדמיה, הכריז האלדאן על עצמו מופתע ומסופק מהכבוד. "העבודה הזו הייתה מזמן, אבל רק עכשיו הרבה גילויים חדשים אדירים המבוססים על יצירה מקורית זו ... קורים עכשיו, " אמר. הנסון הדהד את המחשבות הללו וציין כי מדענים ברחבי העולם משתמשים כעת בכלים אלה כדי לפנות ליישומים מעשיים בתחום האלקטרוניקה, חומרים חדשים ואפילו רכיבים במחשב קוונטי חדש.
אך בראש ובראשונה, הדגיש הנסון, הפרס נועד לכבד מדע יוצא דופן. "הם שילבו מתמטיקה יפה ותובנות מעמיקות בפיזיקה, והשיגו תוצאות בלתי צפויות. בשביל זה הפרס מיועד, "הוסיף. "זה ממש יפה וזה עמוק."
