Gdy słyszymy „fizycy teoretyczni”, już wiemy, że lekko nie będzie. By nieco osłodzić skomplikowaną materię badań znamienitych teoretyków, jeden z członków Komitetu Noblowskiego, prof. Thors Hans Hansson, wytłumaczył ich osiągnięcia za pomocą... obwarzanka i pączka.
Tegoroczni nobliści posługując się metodami rodem z geometrii odkryli, że materia wcale nie musi zachowywać się tak, jak się po niej spodziewamy. Opisywali oni zjawiska kwantowe zachodzące w krainie płaszczaków: to znaczy w tak cienkich warstwach atomów, że można je uznać za dwuwymiarowe, więc pozbawione grubości (Haldane zaś badał nici tak cienkie, że można uznać je za twory jednowymiarowe). To już nie teoria: potrafimy dziś tego typu struktury tworzyć i szukamy dla nich zastosowań, wiele sobie po nich obiecując. Sztandarowym tego przykładem jest grafen – materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla, który ma znaleźć zastosowanie od superkomputerów po niezniszczalne ekrany smartfonów.
Badacze wyjaśniali zjawiska zachodzące na płaszczyźnie w bardzo niskich temperaturach, gdy do głosu dochodzi kwantowa natura materii i pojawiają się tak dziwne zjawiska, jak nadciekłość czy nadprzewodnictwo.
Jednym z zaskakujących efektów, z którymi mieli do czynienia fizycy, było tzw. kwantowe zjawisko Halla (nagroda Nobla dla Klausa von Klitzinga w 1985 r.), zachodzące w niskich temperaturach, silnych polach magnetycznych i cienkich (dwuwymiarowych) materiałach. Okazało się, że opór elektryczny przyjmuje w takich warunkach ściśle określone wartości, zmieniające się skokowo wraz z ciągiem liczb naturalnych, o 2, 3, 4 itd. razy. Zadziwiający był również fakt, że wartości oporu były stałe i bardzo precyzyjne, niezależnie od fluktuacji pola magnetycznego, temperatury czy poziomu zanieczyszczenia substancji. Tegoroczni nobliści odkryli, że zjawisko to wiąże się z tzw. topologicznym niezmiennikiem, którym jest spójność (czy wielospójność – o tym za chwilę). I tu właśnie wkraczają wypieki profesora Hanssona.
Wyłożył on mianowicie związek między dziurami w obwarzankach a kwantowymi skokami oporu elektrycznego w zjawisku Halla: z topologicznego punktu widzenia obwarzanek różni się od pączka, a pączek od precla tylko... liczbą dziur w strukturze. Precel ma dwie, obwarzanek – jedną, a pączek – ani jednej. Cecha ta zwana jest wielospójnością (jednospójnością, dwuspójnością itd.). Obszar z punktu widzenia topologii może mieć tylko całkowitą nieujemną liczbę dziur – obwarzanek nie może mieć ani minus jeden, ani pół dziury. A skokami oporu elektrycznego w zjawisku Halla rządzi... liczba dziur w strukturze materii. Ściślej: drobnych wirów, które pod wpływem pola magnetycznego i temperatury tworzą obszary o różnym stopniu lokalnej spójności i odpowiadają np. za zjawiska nadprzewodnictwa.
Prace noblistów zaowocowały powstaniem całego obszaru fascynujących (na razie tylko fizyków) badań związanych z topologicznymi nadprzewodnikami i izolatorami. A te z kolei są wielce obiecującymi materiałami, które znajdą zastosowanie np. w komputerach kwantowych – mającymi kiedyś wysłać nasze obecne komputery tranzystorowe do muzeum techniki. Thouless, Haldane i Kosterlitz położyli teoretyczne podwaliny tworzenia materiałów, jakich świat jeszcze nie widział, ale z których zbudowana będzie przyszłość. ©
„Tygodnik Powszechny" – jedyny polski tygodnik społeczno-kulturalny.
30 tys. Czytelniczek i Czytelników. Najlepsze Autorki i najlepsi Autorzy.
Wspólnota, która myśli samodzielnie.
Artykuł pochodzi z numeru TP 42/2016
