Czytaj dalej

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.

topologia
przejscia-fazowe

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.

Drugie 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. Z 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.

topologia-nano

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.

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].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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