Wczorajsza nagroda Nobla spędza sen z powiek dziennikarzom, komentatorom i popularyzatorom. Nie tylko dlatego, że topologiczne przejścia fazowe zostały wyróżnione dość niespodziewanie, ale również ze względu na ogromną zawiłość tego tematu.

Nie będę wyjąt­kiem. Nazwiska Davida Tho­ulessa, Duncana Haldane’a i Michaela Koster­litza, jak i ich prace, pozo­sta­wały dla mnie ano­ni­mowe. Prze­szu­ku­jąc całą pod­ręczną lite­ra­turę trafiłem tylko na tego pierw­szego, wspo­mnia­nego mimo­cho­dem jako laureata nagrody Wolfa. Tak jak więk­szość osób spo­dzie­wa­łem się raczej wyróż­nie­nia odkryw­ców fal gra­wi­ta­cyj­nych, pra­cu­ją­cych przy detek­to­rze LIGO. Tu, jak sądzę, na prze­szko­dzie mógł stanąć kłopot z wypchnię­ciem przed szereg kon­kret­nych kilku ludzi, spośród kil­ku­ty­sięcz­nej rzeszy uczonych. Oczy­wi­ście mniejsza medial­ność danych dociekań nie powinna decy­do­wać o ich rze­czy­wi­stej wartości. A plus jest taki, że tego­roczny Nobel zamknie usta mal­kon­ten­tom psio­czą­cym na ciągłe hono­ro­wa­nie teo­re­ty­ków oraz ich “nie­prak­tycz­nych odkryć”. Akurat tym razem doce­niono badania o bez­po­śred­nim  zna­cze­niu dla techniki i tech­no­lo­gii.

Niestety, nie jestem w stanie przy­bli­żyć Wam detali tak wyra­fi­no­wa­nych i spe­cja­li­stycz­nych prac. Nawet prof. Meissner wspo­mniał dziś, że to bodaj naj­trud­niej­szy do przy­stęp­nego wyło­że­nia temat, jaki przedarł się na szerokie medialne wody, w ostat­nich dekadach. Jednak aby nie czuć wyrzutów z powodu nie­speł­nio­nego obo­wiązku, spróbuję przy­naj­mniej zary­so­wać istotę zain­te­re­so­wań trójki bry­tyj­skich fizyków.

Na początek spró­bujmy uprościć ter­mi­no­lo­gię. Topo­lo­gia to dzie­dzina mate­ma­tyki doty­cząca prze­kształ­ceń prze­strzeni czy obiektów geo­me­trycz­nych – stąd czasami mówi się o “ela­stycz­nej geo­me­trii”. Szcze­gólną atencją topo­lo­gów obda­rzane są takie wła­sno­ści figur, które nie znikają mimo ich odkształ­ca­nia. Naj­le­piej zobra­zo­wał to członek komisji noblow­skiej, korzy­sta­jący z przy­nie­sio­nego zestawu rekwi­zy­tów, pod postacią… precli i obwa­rzan­ków. Z punktu widzenia topo­lo­gii obwa­rzan­kowi bardzo blisko do opony, kubka czy igły. Każdy z tych przed­mio­tów posiada dokład­nie jeden otwór i można sobie wyobra­zić subtelne prze­kształ­ce­nie jednego w drugi, bez żadnych cięć i prze­rwa­nia ich powierzchni. Precel z dwoma lub trzema dziurami, choć z ludz­kiego punktu widzenia wydaje się bliź­nia­czym wypie­kiem, topo­lo­gicz­nie jest już tworem obcym. Takiemu preclowi, mate­ma­tycz­nie bliżej cho­ciażby do okularów.
topologiaDrugie ważne pojęcie to przej­ście fazowe. Termin dość szeroki, ale w naszym kon­tek­ście można go porównać do zmian w stanie sku­pie­nia materii. Jak dosko­nale każdy z nas wie, ogrze­wa­jąc lub ozię­bia­jąc poszcze­gólne sub­stan­cje, możemy dopro­wa­dzić do ich zamar­z­nię­cia, roz­to­pie­nia lub wypa­ro­wa­nia. Na poziomie mikro­sko­po­wym oznacza to przede wszyst­kim zmiany w ruchu i upo­rząd­ko­wa­niu atomów lub czą­ste­czek, a co za tym idzie, zmiany wła­ści­wo­ści fizycz­nych. przejscia-fazoweZ innym typem przej­ścia fazowego mamy do czy­nie­nia gdy w miarę obni­ża­nia tem­pe­ra­tury w mate­riale zanika opór elek­tryczny, czyli ujawnia się efekt nad­prze­wod­nic­twa. Kosmo­lo­go­wie z kolei, zasta­na­wiają się nad tym czy do przej­ścia fazowego nie doszło w pierw­szym ułamku sekundy po wielkim wybuchu, co dopro­wa­dziło do inflacji prze­strzeni. Mówiąc krótko, zmianą fazową nazwiemy nagłe prze­miany wła­sno­ści fizycz­nych obiektów.

Teraz połączmy to w całość. Thouless, Haldane i Koster­litz poszu­kują odpo­wie­dzi na to, jak zmiany w topo­lo­gii badanego ciała, wpływają na jego wła­ści­wo­ści fizyczne. Nie chodzi tu jednak o byle jakie ciała. Ich głównym przed­mio­tem zain­te­re­so­wań pozo­stają wyjąt­kowe struk­tury: naj­cień­sze jakie tylko można sobie wyobra­zić, bo o grubości jednego atomu. Nie­któ­rzy – chyba słusznie, zwa­żyw­szy na poja­wia­jące się moż­li­wo­ści – traktują dwu­wy­mia­rowe mate­riały jako nowy, uni­ka­towy stan materii. Tego typu nano­sieci znamy już od dawna, czego przy­kła­dami są fosforen, stanenen, borofen, czy wreszcie bardzo medialny grafen. Wkładem badaw­czym nobli­stów jest analiza topo­lo­giczna tychże struktur. Prze­kła­da­jąc to na naszą rze­czy­wi­stość: to trochę tak jak gdybyśmy dziu­ra­wili na różne sposoby kawałek blaszki, a następ­nie testo­wali jak wpłynęło to na jej wła­ści­wo­ści – zwłasz­cza na jej prze­wod­nic­two elek­tryczne.
topologia-nano
Po co to? Okazuje się, że takie drobne zmiany w topo­lo­gii mogą dopro­wa­dzić nas do otwo­rze­nia nowych ścieżek w mate­ria­ło­znaw­stwie. Łatwo wyobra­zić sobie super­kom­pu­tery wyko­rzy­stu­jące nano­struk­tury o niemal zerowym oporze elek­trycz­nym. Obecnie nie jest to takie proste, ponieważ “zwykłe” sub­stan­cje wymagają utrzy­my­wa­nia nie­do­rzecz­nie niskiej tem­pe­ra­tury dla ujaw­nie­nia swojego poten­cjału.

Na zakoń­cze­nie kilka słów od Stevena Bram­wella z London Centre for Nano­tech­no­logy:
Myślę, że ta nagroda Nobla jest nie­zwy­kle zasłu­żona! Zacho­wa­nie mate­ria­łów wokół nas jest bardzo skom­pli­ko­wane – zadaniem fizyki pozo­staje okre­śle­nie prostych zasad, dzięki którym będziemy mogli zro­zu­mieć świat mate­ria­łów i prze­wi­dy­wać nowe zjawiska. Jest to bardzo trudne wyzwanie, ponieważ prze­ciętna sub­stan­cja może zawierać biliony bilionów atomów, wcho­dzą­cych ze sobą w inte­rak­cję na różne sposoby.  Pomy­sło­wość Koster­litza, Tho­ulessa i Haldane’a polegała na ukazaniu, jak duża jest klasa mate­ria­łów  zwłasz­cza sieci i łań­cu­chów atomów – które można rozumieć dzięki prostym zasadom topo­lo­gii. Przełom zapo­cząt­ko­wany przez tych trzech naukow­ców pozwoli na ogromne postępy w zro­zu­mie­niu i opisie wła­ści­wo­ści wielu systemów mate­ria­ło­wych. W moim przy­padku, od 25 lat otwarty jest temat magne­tycz­nych wła­ści­wo­ści cienkich struktur  czyli tego co można zasto­so­wać choćby w dyskach kom­pu­te­rów do prze­cho­wy­wa­nia infor­ma­cji. Wielu innych naukow­ców, w wielu dys­cy­pli­nach będzie miało dług wdzięcz­no­ści do teo­re­tycz­nych spo­strze­żeń Koster­litza, Tho­ulessa i Haldane’a.
Literatura uzupełniająca:
C. Domonoske, 3 Physicists Win Nobel Prize For Theoretical Research Into Phases Of Matter[online: www.npr.org/sections/thetwo-way/2016/10/04/496512758/3-scientists-win-nobel-prize-in-physics-for-research-on-unusual-phases-of-matter];
K. Ritter, Nobel physics prize awarded to three for topology work[online: http://phys.org/news/2016–10-nobel-physics-prize-awarded-topology.html];
R. Gonczarek, Teoria przejść fazowych. Wybrane zagadnienia[online: http://www.dbc.wroc.pl/Content/994/gonczarek_teoria_przejsc.pdf];
Topological phase transitions and topological phases of matter[online: www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/advanced-physicsprize2016.pdf].
podpis-czarny


  • prosilka

    Nie do końca rozumiem ten obrazek o topo­lo­gii. Dlaczego tam na naniż­szym stopniu jest 0 dziur? Nie powinna być jedna?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Bo otwór musi prze­bi­jać na wylot, tak jak ma to miejsce np. w przy­padku “ucha” fili­żanki.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • derfpl

    Spo­koj­nie z Noblem za fale gra­wi­ta­cyjne, pocze­kajmy do przy­szłego roku. Ogło­sze­nie odkrycia było w lutym, a kan­dy­da­tów do nagrody można zgłaszać do końca września roku poprze­dza­ją­cego — więc wszystko przed nami.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • yxo

    Ja tylko powiem, że nadal nic z tego nie rozumiem :))))
    Kwestia topo­lo­gii jakoś do mnie nie prze­ma­wia. Wyszło trochę tak, jakby topo­lo­dzy potra­fili zamie­niać precla w oponę, a więc jakby byli che­mi­kami-magikami. Topo­lo­gię raczej rozumiem jak sytuację, w której mate­ma­tyk prze­kształca rów­na­niem kwadrat w okrąg twier­dząc, że to wciąż to samo, albowiem łączna liczba punktów na obwodzie nie zmieniła się. Wiem, że to głupi przykład… tutaj jak mniemam chodzi o to, że kula i kubek bez uszka (albo talerz) to topo­lo­gicz­nie jedno i to samo. Podobnie ten precel i fili­żanka z uszkiem — oba mają “pełną” powierzch­nię i dziurkę. Jedno można prze­kształ­cić w drugie bez koniecz­no­ści robienia w tym kolej­nych dziurek, bądź łatania już ist­nie­ją­cych dziurek. Ale przyznam się, że to mi też wiele nie mówi i nadal nic z topo­lo­gii nie rozumiem. Być może chodzi o to, że tego nie da się zro­zu­mieć inaczej, niż po przez zro­zu­mie­nie samych wzorów i prze­kształ­ceń mate­ma­tycz­nych, jakie w nich zachodzą. Mam jednak nadzieję, że tak nie jest i ktoś mi kiedyś to wyjaśni tak, abym to pojął he he.

    W moim odczuciu, w ogło­sze­niu tego odkrycia za dużo o tej topo­lo­gii mówią, ale nawet jeżeli z niej zre­zy­gno­wać, to sprawa i tak nie staje się jaśniej­sza. Ja się doczy­ta­łem do tego, że laureaci pra­co­wali nad ultra­cien­kimi, wręcz dwu­wy­mia­ro­wymi mate­ria­łami i zja­wi­skiem nad­prze­wod­no­ści. Nad­prze­wod­ność ma miejsce w bardzo niskiej tem­pe­ra­tu­rze i tylko w takiej. W niskiej tem­pe­ra­tu­rze mają miejsce zjawiska, których zwykła fizyka, znana przed roz­po­czę­ciem badań nad wodą, wodorem i metalami chło­dzo­nymi do absur­dal­nie niskich tem­pe­ra­tur, nie była w stanie wyjaśnić. Stwier­dzono zatem, że w bardzo niskiej tem­pe­ra­tu­rze materia przyj­muje nowy stan sku­pie­nia, coś na kształt super-cieczy i nazwano taki stan kon­den­sa­tem. Nad­prze­wod­ność ma miejsce tylko w niskich tem­pe­ra­tu­rach, ponieważ tylko wówczas zachodzi pewnego rodzaju prze­miana fazowa umoż­li­wia­jąca nad­prze­wod­ność. W przy­padku nobli­stów rzecz tyczyć się ma wła­ści­wo­ści magne­tycz­nych. Ponoć w ultra­cien­kim mate­riale, schło­dzo­nym do ultra­ni­skiej tem­pe­ra­tury, powstają pary wirów magne­tycz­nych (?), coś jak te okręgi opiłków żelaza roz­sy­pa­nych wokół magnesu, opi­sy­wa­nych tutaj jako vortexy z dynamiki płynów (w liczbie mnogiej vortices). Ponoć cała sprawa dotyczy tego przej­ścia fazowego, pole­ga­ją­cego na roz­dzie­la­niu się tychże wirów. O tym napisano: “This was one of the twen­tieth century’s most impor­tant disco­ve­ries in the physics of con­den­sed matter” — naj­więk­sze odkrycie stulecia: że jak się schłodzi ultra­cienki materiał, to powstaną pary wirów, a jak się go pod­grzeje, to wiry się roz­dzielą od siebie. I tyle. Ilu­strują to te nie­bie­skie i czerwone płytki opisane jako kon­den­saty kwantowe, zaś przej­ście fazowe ilu­strują łódeczki: w stanie wyj­ścio­wym połą­czone, a po zaist­nie­niu przej­ścia fazowego roz­dzie­lone. Tym, co eks­cy­tuje komitet noblow­ski jest to, że kon­cep­cja roz­dzie­la­nia się pary wirów po pod­grza­niu ma zasto­so­wa­nie do wielu innych ultra­cien­kich mate­ria­łów (i tyle!). O lau­re­atach piszą też, że otwo­rzyli drzwi do nowych światów, nowych sub­stan­cji przyj­mu­ją­cych nowe stany sku­pie­nia. Mam jednak wrażenie, że przy­po­mina to trochę zabawę mate­ma­tyka, który w notat­niku rozważa topo­lo­giczne prze­kształ­ce­nie drzewa. Topo­lo­giczne, jak z kuli w talerz. Wychodzi coś nowego, przy czym wydaje się to mieć związek z tym, że w lecie drzewo ma liście, a w zimie ich nie ma. Ale może coś źle tutaj kom­bi­nuję…

    Gdzieś niedawno w komen­ta­rzu wspo­mi­na­łem o IBM, którzy pracują nad magne­tycz­nymi wła­ści­wo­ściami atomów i tym, ile poje­dyn­czych atomów wystar­czy, aby stworzyć moż­li­wość prze­cho­wy­wa­nia infor­ma­cji. Bodaj wychodzi im, że 12 atomów wystar­czy, aby mieć mikro­sko­pową “jed­nostkę” zdolną przyjąć i prze­cho­wać infor­ma­cję. A tutaj proszę, Nobel za magne­tyczne niuanse ultra­cien­kich mate­ria­łów. Czyli kolejny krok w stronę kom­pu­te­rów, w których CPU zastąpią ultra­cien­kie, 2-wymia­rowe płytki, zdolne prze­cho­wać w czymś nie większym od współ­cze­snego pro­ce­sora wszyst­kie filmy, jakie kie­dy­kol­wiek nakrę­cono i np. foto­gra­fie wszyst­kich artystów foto­gra­fi­ków?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

    A jakieś poważ­niej­sze źródło? Z tych kilku akapitów niewiele da się wywnio­sko­wać, nie wiem co oznacza “zmie­nie­nie protonów atomu i zmie­nie­nie jednego elementu w drugi”. Jakiego elementu? Jeśli chodzi o samą prze­mianę pier­wiast­ków to od bardzo dawna nie jest to dla fizyków żaden problem. Przecież taki efekt osiągamy cho­ciażby przez reakcję jądrową (np. uran w bar) czy fuzję (np. wodór w hel). Pro­ble­mem z taką “zabawą w alchemię” są oczy­wi­ście koszty. Może “przełom” polega na jakiejś wyjąt­ko­wej metodzie — ale news na ten temat milczy.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Kacper

      Trans­mu­ta­cja pier­wiast­ków to żadna nowość. Choćby Hg198+n=Au198+1P. Protony zmie­niają się w neutrony, neutrony zmie­niają się w protony znane reakcje z rozpadów pro­mie­nio­twór­czych itp. Tworzymy nowe pier­wiastki i to dosyć stabilne. Oczy­wi­ście to do użyt­kow­nika Falcon.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        No i o tym mówię. Nie wiem gdzie leży przełom. Podanej strony nie znam, ale naprawdę tego typu infor­ma­cje mówiące o nagłych rewo­lu­cjach w nauce należy trak­to­wać z przy­mru­że­niem oka (a portale olewać).

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Falcon

        Weź już nie marudź, bo zna­le­zie­nie infor­ma­cji zajęło mi 5 minut. Jak ktoś nie chce to nie znajdzie.
        Spe­cjal­nie dla Ciebie nawet trochę prze­tłu­ma­czy­łem.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Ja nie marudzę, lecz prze­strze­gam. 😉 Pochodź po inter­ne­cie dosta­tecz­nie długo a w mig znaj­dziesz kilka prac oba­la­ją­cych STW, OTW, mecha­nikę kwantową, teorię helio­cen­tryczną, czy co tam chcesz. Kiedy nastę­puje rze­czy­wi­sty przełom w branży aż huczy, więc spo­koj­nie. Niczego nie prze­oczymy.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Falcon

        Wiem.. znam internet dobrze. Czasami sam już nie wiem co jest prawdą a co ściemą 🙂
        Zasta­na­wia­jący jest właśnie fakt, że kon­fe­ren­cja w Szwaj­ca­rii się odbyła a w mediach cał­ko­wita cisza..
        Proszę o zgłę­bie­nie tematu, ponieważ ja nie posiadam odpo­wied­niej wiedzy, aby wery­fi­ko­wać te zagad­nie­nia.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • PrzemekJ

        Spró­bo­wa­łem prze­czy­tać ten patent firmy BT-Isotopes. Połowa jest nawet po angiel­sku… Wszystko wygląda na dobrze przy­go­to­waną ściemę, w której chodzi o prze­kształ­ca­nie natu­ral­nych złóż pier­wiast­ków radio­ak­tyw­nych (głównie uranu i toru) lub odpadów radio­ak­tyw­nych do mate­ria­łów zawie­ra­ją­cych inne pier­wiastki (w tym nieco przy­dat­nego do nueklar­nych zabaw uran 233), bez­piecz­niej­szych lub przy­dat­niej­szych. Ale pierwsza strona patentu wygląda na dość słabo sfin­go­waną w jakimś pho­to­sho­pie, w połowie tekst angiel­ski się urywa, a google podaje tylko jakieś śmieci. A takie “kon­fe­ren­cje”, “publi­ka­cje” i “patenty” to akcje typu nasze polskie Gazele Biznesu — płacisz i masz. Wartość mery­to­ryczna może być znikoma lub nawet zerowa, liczy się $$.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • PrzemekJ

        Aha, i strona firmy jest na Word­pres­sie, a skrzynka pocztowa na gmailu. Profeska :]

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Kacper

        >w której chodzi o prze­kształ­ca­nie natu­ral­nych złóż pier­wiast­ków
        radio­ak­tyw­nych (głównie uranu i toru) lub >odpadów radio­ak­tyw­nych do 
        mate­ria­łów zawie­ra­ją­cych inne pier­wiastki (w tym nieco przy­dat­nego do 
        >nueklar­nych zabaw uran 233)

        Tylko gdzie tu jest ten cały przełom o którym pisze Falcon. U-233 uzyskuje się z Th-232 są do tego spe­cjal­nie prze­zna­czone reaktory, podobnie tylko z U-238 uzy­sku­jemy Pu-239 technika znana od ponad 50 lat ? Gene­ral­nie jest opcja nie wiem czy się to już stosuje aby naj­bar­dziej radio­ak­tywne odpady z reak­to­rów prze­kształ­cać w izotopy mniej pro­mie­nio­twór­cze itp.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • yxo

        Ja też nie siedzę w tym temacie, ale powiem Ci, jak to widzę: gość wymyślił tech­no­lo­gię oczysz­cza­nia rudy na bazie drob­no­ustro­jów (przy czym temat nie jest nowy, te drob­no­ustroje, jak wynika z wiki­pe­dii, są znane w procesie oczysz­cza­nia rudy) i pozy­ski­wa­nia w ten sposób mate­ria­łów pro­mie­nio­twór­czych. Zgłosił patent i liczy na pie­nią­dze. Na inwe­stora, który zapłaci $$$ za dalsze badania, opra­co­wa­nie gotowych urządzeń i wdra­ża­nie tego biznesu na szerszą skalę. Po to te szo­ku­jące newsy na jakiś por­ta­lach, kon­fe­ren­cje itd. Żadnego odkrycia na miarę koper­ni­kań­ską nie było. To tak jak z nie­wi­dzial­nym czołgiem: jest jakiś wyna­lazca i szuka inwe­stora.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0