Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 14

Artykuły

Nobel za topologiczne stany materii – krótko i niezbyt przejrzyście

5th Paź '16

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


Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • 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