David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz laureatami Nobla z fizyki

Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała te najważniejsze wyróżnienia naukowe świata za „teoretyczne odkrycia w dziedzinie topologicznych przejść fazowych oraz topologicznych faz materii". Ale jakby zgadując, że dla niefizyka będą to pojęcia niezrozumiałe, od razu wyjaśnia: „Ci naukowcy odkryli sekrety materii egzotycznej. Otworzyli drzwi do świata, w którym materia może przyjmować dziwne stany (...) nadprzewodnictwa czy nadciekłości".

Nagroda (w wymiarze finansowym to 8 mln koron, 850 tys. euro) zostanie podzielona na trzy części. W oczach członków Komitetu Noblowskiego największe zasługi na tym polu ma David J. Thouless, któremu przyznano połowę tegorocznej Nagrody Nobla. Druga połowa zostanie podzielona równo między Duncana Haldane'a i Michaela Kosterlitza.

Matematyka skrajności

– Teoretyczne prace tegorocznych laureatów pozwoliły odkryć zupełnie nowe zasady zachowania materii, które da się opisać dzięki 

matematycznej koncepcji topologii – tłumaczy prof. Nils Martensson, przewodniczący Komitetu.

Topologia zajmuje się badaniem właściwości, które pozostają niezmienne nawet po radykalnej deformacji obiektów (można je zginać i ściskać, ale nie rozrywać). To właśnie koncepcje przeniesione z topologii – czystej matematyki – umożliwiły opis zjawisk fizycznych występujących w materii w skrajnych warunkach, gdy ich właściwości zmieniają się skokowo.

Dziś wiemy na przykład, że materia schłodzona do temperatury bliskiej zera absolutnego (–273 st. Celsjusza) nabiera zupełnie nowych, fantastycznych właściwości. Efekty kwantowe, które możemy zwykle obserwować w skali mikro, nagle zaczynają być wyraźnie widoczne. Jakie to zjawiska? Znika rezystancja i prąd przepływa przez przewodnik całkowicie bez oporu – to zjawisko nadprzewodnictwa. Może też zniknąć lepkość – wir płynu może się kręcić bez końca (nadciekłość).

Zmiany stanu skupienia w reakcji na zmianę temperatury lub ciśnienia – stan stały, ciekły, gazowy, co fizycy precyzyjniej określają fazami materii – nie zawsze muszą wyglądać tak prosto jak zmiana wody w lód. To, co kiedyś uważano za jeden stan skupienia, w rzeczywistości składa się z wielu faz materii. Aby opisać przejścia między nimi, fizycy musieli sięgnąć właśnie po zaawansowaną matematykę - stąd „topologiczne przejścia fazowe". Na początku lat 70. ubiegłego wieku Kosterlitz i Thouless zaczęli się przyglądać tym zmianom w obiektach określanych jako dwuwymiarowe (np. na powierzchniach lub w bardzo płaskich strukturach). Stwierdzili, że w niskiej temperaturze w płaskim materiale tworzą się obok siebie pary wirów. Gdy temperatura rośnie, wiry te rozdzielają się, „rozpływając się" po powierzchni – jak łódki na wodzie. Efekt ten jest wykorzystywany m.in. z fizyce atomowej. Prace teoretyczne pozwalające na nowo spojrzeć na fazy materii Komitet Noblowski uważa za jedno z najważniejszych odkryć XX w.

Kwantowe skoki

Dziesięć lat później Thouless i Haldane zaprezentowali kolejne prace teoretyczne, które zakwestionowały teorie dotyczące tego, jakie materiały mogą przewodzić prąd elektryczny. Thouless, używając topologii, opisał kwantowy efekt Halla – zmiany oporu zachodzące w cienkich przewodzących warstwach umieszczonych pomiędzy warstwami półprzewodnika w bardzo silnym polu magnetycznym i przy temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego. Okazało się, że zmiany te zachodzą skokowo, bez stanów pośrednich – całkiem nie tak jak w znanej nam fizyce. Ponownie kluczem do wyjaśnienia tych zjawisk okazała się topologia.

W tym samym czasie Haldane prowadził badania nad łańcuchami magnetycznych atomów występującymi w niektórych materiałach, a także nad zachowaniem półprzewodników w bardzo niskiej temperaturze. Jego teoretyczne rozważania zostały eksperymentalnie potwierdzone niemal 20 lat później.

Praktyczne zastosowanie bardzo teoretycznych prac noblistów? Tu Komitet jest wyjątkowo mało konkretny: „W przyszłości teoria ta znajdzie zastosowanie w tworzeniu nowych materiałów i w elektronice oraz do budowy komputerów kwantowych" – brzmi oficjalny komunikat.

Nagroda teoretyczna

Polscy naukowcy zgodnie twierdzą, że tegoroczny Nobel na zastosowania praktyczne na razie się nie przekłada. Pod tym względem decyzja Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk jest zaskakująca.

— To bardzo mocno teoretyczna nagroda. Fascynacje teoretyków i piękny kawałek fizyki, myślenia i kultury matematycznej, ale na życie codzienne na razie się nie przekłada. Zwykle Komitet Noblowski tego typu dokonań nie nagradza, bo później trudno je uzasadnić — mówi PAP prof. Jakub Tworzydło z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. — Tegoroczna nagroda jest zaskoczeniem. Dwa lata temu mówiło się, że jest szansa na Nobla z topologicznych własności materii. Obstawiano jednak, że raczej będzie to Nobel z tzw. izolatorów topologicznych. W tym przypadku z jednej strony byłby to teoretyczny koncept, a z drugiej rzeczywiście widać byłoby tu konkretne wyniki i praktyczne zastosowania.

Dlaczego akurat ci naukowcy? — Widocznie Komitet Noblowski, kiedy zaczął cofać się w historii rozwoju tej dziedziny fizyki, to zastanawiał się, kto tak naprawdę jest ojcem założycielem. Kto ufundował koncepcje topologiczne w niskotemperaturowych, wielocząstkowych układach kwantowych. Myślę, że to był trop — wyjaśnia prof. Tworzydło.

Podobnego zdania jest prof. Tomasz Dietl z Instytutu Fizyki PAN. Jego zdaniem nobliści byli pionierami w teoretycznych badaniach zjawisk topologicznych. Badania nad tą dziedziną nabrały jednak znaczenia w ostatnich latach. — To jest nagroda spodziewana, to nie jest zaskoczenie — komentuje prof. Dietl.

- Przez wiele lat wydawało się, że o właściwościach materii skondensowanej decyduje jej struktura krystaliczna (tj. ułożenie atomów), właściwości geometryczne, symetria. Okazało się jednak, że istnieje cała klasa materiałów, które są na to nieczułe. Możemy więc materiał odkształcać, a jego właściwości się nie zmienią — tłumaczy PAP polski badacz. I dodaje, że chodzi o tzw. materiały topologiczne, których właściwości się zmieniają w sposób skokowy, kiedy zmienia się ich topologia — a więc kiedy np. w materiale pojawia się... otwór.

Niedawno zespół naukowców (Charles Kane, Laurens Molenkamp oraz Shoucheng Zhang) odkrył klasę materiałów, w których te własności rzeczywiście zachodzą. — Przedtem była to ciekawostka fizyczna, realizowana w ekstremalnych warunkach, a teraz odkryto klasę materiałów, w których topologia odgrywa decydującą rolę. Dlatego właśnie — moim zdaniem — Nobla przyznano teraz, a nie np. w latach 80., kiedy nobliści wykonywali swoje prace.