vineri , 14 decembrie 2018
roen

Art. 07 – Vol. 26 – Nr. 4 – 2016

NOBEL PENTRU FIZICĂ, 2016

Roman Chirilă
roman.chirila@ici.ro
Institutul Naţional de Cercetare – Dezvoltare în Informatică, ICI – Bucureşti

Rezumat: 

Trei oameni de ştiinţă britanici au câştigat premiul Nobel pentru fizică pentru activitatea lor desfăşurată asupra stărilor exotice ale materiei, lucru care poate netezi drumul către calculatoarele cuantice şi către alte tehnologii revoluţionare. Cercetătorii au fost creditaţi pentru rezultatele lor teoretice asupra ”tranziţiilor de fază topologice şi fazele topologice ale materiei”. Împreună, descoperirile lor au transformat radical perspectiva de abordare a oamenilor de ştiinţă asupra materialelor. Laureaţii au folosit metode de matematică avansată, pentru studiul fazelor neobişnuite, sau a stărilor materiei, cum ar fi supraconductorii, superfluidele sau filmele subţiri magnetice. Lucrarea de faţă este o scurtă prezentare a conceptelor topologice folosite pentru noile materiale care pot fi folosite în noua generaţie de dispozitive electronice şi supraconductoare, sau în viitoarele calculatoare cuantice.

Cuvinte cheie: tranziţia KT, efectul Hall cuantic, izolator Chern, teoria benzii topologice.

Introducere: 

Anul acesta, the Royal Swedish Academy of Sciences a hotărât ca premiul Nobel pentru fizică să fie acordat lui David J. Thouless (de la Universitatea Washington, Seatle, WA, USA), lui F. Duncan M. Haldane (de la Universitatea din Princeton, NJ, USA) şi lui J. Michael Kosterlitz (de la Universitatea din Brown, Providence, RI, USA), pentru descoperirile lor teoretice privind tranziţiile de fază topologice şi ale fazelor topologice ale materiei. În conformitate cu declaraţia de presă a Comitetului Nobel [1], cei trei fizicieni au pus în evidenţă secrete ale unui univers material exotic, necunoscut, în care materia se presupune a exista în faze ori stări extrem de ciudate. Vorbim aici despre supraconductori, superfluide, sau filme magnetice foarte subţiri, studiate cu ajutorul unor metode matematice avansate, cum ar fi topologia – decisivă pentru remarcabilele descoperiri ale cercetătorilor menţionaţi. Rezultatele lor au condus la înţelegerea teoretică profundă a comportamentului misterios al materiei din domeniul straturilor subţiri, care pot fi foarte uşor aproximate cu spaţii bidimensionale (flatlands), sau a firelor extrem de subţiri, care pot fi aproximate cu spaţii unidimensionale, şi au creat premizele dezvoltării de noi materiale destinate unor aplicaţii speciale, sau a celor destinate cu precădere calculatoarelor cuantice [2].

La nivele profunde ale realităţii materiale, fenomenele sunt guvernate de legi ale fizicii cuantice. Astfel, solidele, lichidele şi gazele sunt stări deja obişnuite ale materiei, în care aspectele cuantice sunt cel mai adesea obturate de mişcările haotice la nivel atomic. La temperaturi, însă, extrem de joase, în apropierea lui zero absolut (- 273º C), materia exhibă alte noi stări de existenţă şi se comportă de o manieră cel puţin neobişnuită, în sensul că fenomenele cuantice devin brusc vizibile! De pildă, rezistenţa electrică, dată de toate acele particule în mişcare, brusc dispare, la temperaturi joase. În acest caz, curentul electric se scurge fără oprire printr-un conductor fără rezistenţă, caz în care vorbim despre un supraconductor. În mod similar, vârtejul dintr-un fluid se va roti fără oprire şi fără să încetinească, la temperaturi joase. Cel care a studiat sistematic superfluidele a fost fizicianul rus P. Kapiţa. În anul 1930, el a reuşit să răcească heliul atmosferic până la temperatura de – 271º C, caz în care a observat faptul că lichidul răcit urcă pe peretele vasului, ca şi cum vâscozitatea lichidului dispăruse brusc. În anul 1978, P. Kapiţa a primit premiul Nobel pentru fizică. De atunci, multe alte superfluide au fost create în laborator [2], fiind în prezent intens studiate: heliul supraconductor, straturi subţiri de materiale magnetice, nanofibre conductoare electrice etc.

Concluzii: 

Materia din universul nostru material este organizată în structuri ierarhice. Conform datelor ştiinţifice actuale, la bază se află particulele elementare, cum ar fi quarcurile, gluonii, electronii etc. Acestea, la rândul lor, formează atomii şi blocurile molecular. Atomii şi moleculele formează gaze, lichide şi solide din care sunt formate stelele şi planetele, care se pot grupa în galaxii, sau clustere, producând în final universuri întregi. Tot din atomi şi molecule se pot forma macro-molecule, precum proteinele şi ADN-ul, din care pot rezulta celulele. Din celule obţinem organele, care împreună pot forma organisme: animale şi plante, într-o impresionantă varietate de specii. Totalitatea speciilor şi individualităţilor formează ecologia.

O parte a ştiinţei se ocupă cu studiul sistemelor disecate în părţi din ce în ce mai mici, fiind descoperite şi studiate comportamentul şi proprietăţile de pe fiecare nivel studiat. Pe de altă parte, mecanica statistică se ocupă cu interacţiile dintre componente, cum ar fi atomii, încercând să deducă acel comportament colectiv coherent specific care se degajă din colectivităţile de atomi de pe un anumit nivel, conferind nivelului respectiv anumite proprietăţi.

Laureaţii despre care am vorbit în acest material au reuşit să descopere în detaliu modul exotic al unui anumit nivel de organizare atomică a substanţei de a determina anumite structuri colective coerente: defectele topologice, sau faze topologice de existenţă ale materiei. Defectele topologice pot fi sarcini coulombiene în structuri bidimensionale, dislocaţii în cristale bidimensionale, vârtejuri (vortexuri) în supraconductorii bidimensionali etc. Interacţia dintre aceste defecte topologice depinde logaritmic în majoritatea covârşitoare a cazurilor de separarea lor spaţială, ceea ce conduce la un anumit comportament colectiv şi care în mod spectaculos determină un anumit tip de fază de tranziţie [13], aşa cum este tranziţia KT (Kosterlitz – Thouless), care este considerată cea mai importantă descoperire a secolului al XX-lea din domeniul fizicii materiei condensate [14], [15].

Vizualizează articolul complet

Anul trecut, premiul Nobel pentru fizică a fost decernat unor fizicieni care au rezolvat uriaşul mister al neutrinilor solari, adică al acelor ‘micimi neutrale’ – cum ar zice italienii! Mii de miliarde din aceste particule fantomatice ne străbat zilnic, în fiecare secundă, fără să ne putem opune lor. Iniţial, cercetătorii au crezut că aceste particule sunt ca fotonii, lipsiţi de masă. Măsurătorile efectuate pe neutrinii solari au demonstrat faptul că sunt detectaţi doar o treime din totalul neutrinilor emişi de către Soare, ceea ce a sporit şi mai tare misterul legat de aceste… micimi neutrale. Laureaţii premiului Nobel de anul trecut, Takaaki Kajita şi Arthur McDonald, au descoperit faptul că neutrinii au de fapt masă şi că, pe distanţa dintre sursa emitentă şi detector, neutrinii îşi pot schimba identitatea [12].

Anul acesta, fizicienii David Thouless, Duncan Haldane şi Michael Kosterlitz au primit premiul Nobel pentru fizică, iar munca lor poate pava drumul către calculatoarele cuantice şi alte tehnologii conexe. Aceşti cercetători remarcabili au fost recompensaţi atât pentru lucrările lor teoretice despre tranziţiile de fază topologice şi fazele topologice ale materiei, cât şi pentru lucrările lor experimentale de excepţie. Descoperirile lor, luate la un loc, au transformat radical perspectiva de abordare a oamenilor de ştiinţă asupra noilor materiale. Stările speciale de existenţă a materiei au fost explicate prin apariţia unor proprietăţi electrice cu totul speciale, cum ar fi supraconductibilitatea, când electronii capătă brusc abilitatea de a se deplasa fără rezistenţă printr-un material răcit la temperaturi foarte joase, sau efectul Hall [16], sau efectul Hall cuantic [17].

Steve Bramwell, un fizician de la UCL, a sublinit importanţa lucrărilor premiate, afirmând faptul că materialele din jurul nostru au de multe ori un comportament complex, sau de neînţeles. Munca cercetătorilor este de a identifica principii simple prin care să putem înţelege universul materialelor noi şi să putem prefigura noile fenomene care pot apărea. Evident, acest lucru nu este o treabă deloc uşoară, deoarece la un material este vorba mai mereu de miliarde şi miliarde şi miliarde de atomi, aceştia interacţionând între ei, deci nu este prea uşor să descoperi anumite legităţi sau comportamente statistice ale acestora. Iar bugetele necesare cercetării sunt tot mai importante, dar fără prioritatea pe care o merită din partea politicienilor [12].

Sir Martin Rees, un fizician remarcabil de la Universitatea din Cambridge şi a Observatorului Astronomic Regal, a comentat cu ironie şi amărăciune faptul că premiul Nobel pentru fizică a fost câştigat de către cei trei cercetători remarcabili, de origine britanică ( David J. Thouless, născut în anul 1934, în Bearsden, UK; F. Duncan M. Haldane, născut în anul 1951, în Londra, UK; J. Michael Kosterlitz, născut în anul 1942, în Aberdeen, UK.), dar în contul Statelor Unite ale Americii, acolo unde aceştia îşi desfăşoară activitatea. Prin anii 1980, cei trei fizicieni au fost nevoiţi să plece din Anglia către SUA, după ce bugetele universităţilor au fost stoarse de către guvernul Thatcher [12]. Premiul Nobel acordat acestor savanţi de excepţie vine parcă să recompenseze munca lor asupra unor stări exotice ale materiei, muncă prilejuită de exodul lor transoceanic.

BIBLIOGRAFIE

  1. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/press.html;
  2. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/popular-physicsprize2016.pdf;
  3. https://ro.wikipedia.org/wiki/Efectul_Hall;
  4. http://electronics.ucv.ro/mihaium/Materiale%20didactice/MATERIALE2013/MaterSubEx32.pdf;
  5. http://asobor0.tripod.com/HallCuantic.pdf;
  6. TONG, D.: The Quantum Hall Effect, http://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/qhe/qhe.pdf;
  7. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/advanced-physicsprize2016.pdf;
  8. THOULESS, D. J.; Mahito Kohmoto; Nightingale, M. P.; Den Nijs, : Quantized Hall conductance in a two-dimensional periodic potential. Physical Review Letters, 49(6):405, 1982;
  9. NIU, QIAN; THOULESS, D. J.; YONG-SHI WU: Quantized Hall conductance as a topological invariant, Physical Review B, 31(6):3372, 1985;
  10. HALDANE, D. M.: Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed-Matter Realization of the “Parity Anomaly”, Physical Review Letters, 61(18):2015, 1988;
  11. CUI-ZU CHANG; JINSONG ZHANG; XIAO FENG; JIE SHEN; ZUOCHENG ZHANG; MINGHUA GUO; KANG LI; YUNBO OU; PANG WEI; LI-LI WANGet AL: Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator, Science, 340(6129):167, 2013;
  12. https://www.theguardian.com/science/2016/oct/04/david-thouless-duncan-haldane-and-michael-kosterlitz-win-nobel-prize-in-physics;
  13. HENRIK JELDTOFT JENSEN: The Kosterlitz-Thouless Transition, Department of Mathamtics, Imperial College, http://www.mit.edu/~levitov/8.334/notes/XYnotes1.pdf;
  14. KOSTERLITZ, J. M.; Thouless, D. J.: Ordering, metastability and phase transitions in two-   dimensional systems,Journal of Physics C: Solid State Physics,6(7): 1181–1203, 1973;
  15. https://en.wikipedia.org/wiki/Kosterlitz-Thouless_transition;
  16. HALL, E. H.: Amer, J. Math. 2, 287 (1879);
  17. VON KLITZING, K.; DORDA, G.; PEPPER, M.: PHYS. REV. LETT, 45(6), pp. 494-497, 1980.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.