Нобелевская премия по физике вручена за топологию

В 2016 году Нобелевская премия по физике присуждена теоретикам, исследовавшим необычные состояния, или как говорят физики, фазы материи. К ним относятся, в частности, сверхпроводники, супержидкости (сверхтекучие жидкости), тонкие магнитные пленки.

Лауреатами стали три британских физика-теоретика, работающие в университетах США: Дэвид Таулес (Thouless) из Вашингтонского университета, Дункан Халдейн (Haldane) из Принстонского и Майкл Костерлиц (Kosterlitz) из Брауновского. Их открытия привели к прорывам в теоретическом понимании тайн природы и открытию новых перспектив по разработке инновационных материалов.

Даже небольшие, очень тонкие фрагменты материи состоят из миллионов атомов, и хотя поведение отдельного атома в целом может быть объяснено с помощью квантовой физики, их коллективное поведение показывает совершенно неожиданные свойства. Новые коллективные явления в физике конденсированных сред – одни из самых заметных областей современной физики. 

Для исследования необычных свойств потребовались нестандартные математические методы. Лауреаты обратились к топологии, разделу математики, занимающемуся изучением того, какие свойства остаются неизменными, когда  объект деформируется. Например, кусок глины можно без разрыва превратить в тарелку, но не в чашку с отверстием в ручку или бублик. Переход от одного топологического состояния в другое (от тарелки к чашке) всегда связан со скачком (разрывом), что увязывается в физике с квантованием характеристик, тем, что они принимают не произвольные, а некоторые фиксированные значения.

Именно использование топологических понятий в физике стало решающим для  открытий, совершенных лауреатами 2016 года. С помощью современной топологии ими были получены удивительные результаты, которые открыли новые направления исследований и привели к созданию новых и важных понятий сразу в нескольких областях физики. Это отмечено и в формулировке Нобелевского комитета, которая гласит, что физики награждены  за «теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи».

Топологические фазовые переходы принципиально отличаются от привычных фазовых переходов, когда, например, вода превращается в лед. Ведущую роль в топологическом переходе играют малые вихри в плоском слое. При очень низких температурах они образуют плотные пары. При нагреве, при определенной температуре происходит внезапное удаление вихрей друг от друга, что существенно меняет свойства материала. Такое нарушение порядка  удобно описывать именно в рамках топологии. Так можно описать переход в сверхтекучее или сверхпроводящее состояние. В частности, именно представление электронов как квантовой топологической жидкости позволило Холдейну объяснить квантовый эффект Холла, в котором при относительно свободном движении электронов наблюдается квантование проводимости (сопротивления) материала. 

Замечательным свойством топологического подхода состоит в том, что он универсален и может быть использован для различных задач и типов материалов. Он стал полезным инструментом, не только в мире конденсированного вещества, но и в других областях физики, таких как атомная физика или статистическая механика. 

Костерлиц и Таулесс занимались явлениями, возникающими в «плоском мире» - на поверхности или внутри очень тонких слоев, которые при пренебрежении толщиной можно считать двумерными. Холдейн же изучал практически одномерные структуры.

В последнее десятилетие широко исследуются топологические изоляторы, топологические сверхпроводники и топологические металлы. Физики надеются, что топологические материалы будут полезны в электронике, сверхпроводниках и в будущих квантовых компьютерах.

Сумма денежного вознаграждения в этом году составит 8 миллионов шведских крон (около 950 тысяч долларов). Из них половину получит Дэвид Таулес, а другую половину разделят Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц.

По материалам Нобелевского комитета