Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Nobelova cena za fyziku 2016

David Thouless, jeden z trojice držitelů letošní Nobelovy ceny za fyziku (Ilustrace: Niklas Elmehed/Nobel Media AB 2016)

Očekávaným kandidátem na letošní Nobelovu cenu za fyziku byl tým Davida Reitzeho. Tomu se loni v září podařilo detektovat gravitační vlny, jejichž existenci před sto lety předpověděl Albert Einstein. Členové švédské akademie však udělali všem čáru přes rozpočet, když s oceněním zůstali na naší planetě. Přednost dali objevům, které popisují některé velmi zvláštní stavy hmoty, a zamotali tak hlavu nejen laikům, ale i většině fyziků. Vysvětlit práce letošních laureátů je totiž opravdu velmi obtížné.

Nositeli letošní Nobelovy ceny se stali David Thouless, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz za teoretické objevy v oblasti topologických fázových přechodů a topologických fází hmoty. Všichni tři laureáti se narodili ve Velké Británii, pracují v USA a zabývají se teoretickým popisem chování exotických stavů hmoty a změn jejich vlastností. Haldane po oznámení výsledků na tiskové konferenci vyjádřil své potěšení i překvapení. Fascinující objevy, které z původních prací oceněných vědců vycházejí, vznikají až nyní a ukazují, že se kvantová mechanika může chovat daleko podivněji, než jsme si kdy mohli myslet. Svou původní práci Haldane popsal jako hračku, která má „něco“ demonstrovat. A stejně jako u většiny objevů – najednou o to „něco“ zakopnete a musíte si uvědomit, že jde o něco zajímavého.

Letošní Nobelova cena spojuje tři směry matematiky a fyziky. Jsou to topologie, kvantové fázové přechody a různé stavy hmoty. Výsledek popsal Nobelův výbor jako „kombinaci fascinující matematiky a myšlenkově převratné fyziky“. Oceněný výzkum skutečně vytvořil teoretické základy pro vysvětlení různých stavů pevných látek včetně supravodičů a tenkých magnetických vrstev.

Společným základem oceněných prací všech tří autorů je topologie. Toto odvětví matematiky popisuje vlastnosti útvarů, které zůstávají nezměněny, když se objekt postupně mění nebo deformuje. Jinak řečeno, topologie popisuje výsledek postupných změn, které vedou ke skokové změně vlastností materiálů. Známým příkladem je proměna tvaru koblihy na tvar kávového šálku a naopak. Pokud při deformaci materiál neroztrhnete, jsou v topologickém pojetí oba tvary identické.

V klasické fyzice existuje veškerá hmota buď jako pevná látka, kapalina, nebo jako plyn. Mezi jednotlivými fázemi dochází k fázovým přechodům, v nichž za normálních podmínek nehrají žádnou roli kvantové efekty, protože jsou překryty teplotními fluktuacemi. Jenže při velmi nízkých teplotách blížících se hodnotě absolutní nuly hmota nabývá podivných nových fází a kvantové efekty se uplatňují velmi výrazně. Známým příkladem je vymizení elektrického odporu nebo otáčení víru v superkapalině, který vypadá, že se bude otáčet stále a bez zpomalení.

Letošní laureáti se zaměřili na výzkum tenkých vrstev materiálu, které lze považovat za dvojrozměrné. Fyzici byli dlouho přesvědčeni, že každé uspořádání v 2D vrstvě musí být v blízkosti absolutní nuly rozrušeno teplotními fluktuacemi. Znamená to, že v těchto podmínkách neexistují fázové přechody. Jenže v roce 1972 Kosterlitz a Thouless identifikovali v extrémně tenkých vrstvách zcela nový typ fázového přechodu, v němž hrají významnou roli topologické defekty. Prokázali, že v 2D vrstvách se může při nízkých teplotách vyskytovat supravodivost i supratekutost, a došli k závěru, že fázový přechod probíhá i při relativně vysokých teplotách, nad nimiž supravodivost vymizí. Práce vyústily ve zcela nové poznatky o fázových přechodech, které jsou považovány za jeden z nejvýznamnějších objevů v teorii fyziky pevných látek.

Topologická změna, nyní nazývaná jako KT (Kosterlitz-Thouless) přechod, se objevuje hlavně díky určité konfiguraci miniaturních vírů elektronových spinů na 2D površích. Při nízkých teplotách tvoří spinové víry těsně spojené dvojice a s rostoucí teplotou se jeden od druhého náhle oddělí. To spustí kvantový fázový přechod z jednoho stavu hmoty do jiného.

KT přechod byl doteď používán ke studiu supravodivosti a supratekutosti. Byl také aplikován na fázový přechod, který vznikne, když je feromagnetická tenká vrstva ochlazována pod Curieovu teplotu. Spiny se vyrovnají a vznikne magnetizace jako odezva materiálu na vnější magnetické pole. KT přechod je univerzální pro různé typy materiálů a použitelný například i v jiných oborech fyziky, třeba v atomové nebo statistické fyzice. Díky experimentálnímu pokroku došlo na začátku osmdesátých let k objevům řady nových stavů hmoty. Příkladem za všechny je objev kvantového Hallova jevu v roce 1980. Klasický Hallův jev je založen na vzniku měřitelného napětí mezi dvěma stranami kovového proužku, pokud proud prochází ve směru jeho délky. Kovový proužek je přitom umístěn v silném magnetickém poli, které směřuje kolmo k povrchu proužku. Hallovo napětí vzniká v důsledku toho, že elektrony driftují k jedné hraně proužku.

Na fyziky však čekala další záhada. Klaus von Klitzing, držitel Nobelovy ceny z roku 1985, studoval 2D vodivé vrstvy umístěné mezi dvě polovodičové vrstvy, které byly ochlazovány těsně nad teplotu absolutní nuly a umístěny do silného magnetického pole. Klitzing zjistil, že vznikající Hallovo napětí je kvantováno v přesných diskrétních hodnotách. Tyto diskrétní hodnoty jsou zcela nezávislé na použitém materiálu a nemění se, ani když se mění experimentální parametry, jako je teplota, magnetické pole nebo množství příměsí v polovodiči. Dostatečně velká změna magnetického pole způsobí, že vodivost, která je také kvantována, bude mít zcela jednoznačně definované velikosti. Například zmenšení intenzity magnetického pole způsobí napřed zvýšení vodivosti na dvojnásobek, potom na trojnásobek atd. Porovnáním proudu a Hallova napětí se sice dalo zjistit, že má výsledný Hallův odpor tvar h/Ne2, kde N je celé číslo, proč se tato čísla mění po určitých skocích, však nebylo známo.

Řešení této hádanky našel právě jeden z letošních laureátů, David Thouless, a to za pomoci topologie. Dokázal, že tato celá čísla mají topologickou povahu. Základem je porozumění kolektivnímu chování elektronů ve vodivé tenké vrstvě a pochopení faktu, že se materiál chová jako topologická kvantová kapalina. V takové kapalině je totiž vodivost popsána prostřednictvím kolektivního pohybu elektronů a jejich topologická povaha znamená, že k fázovým přechodům dochází v určitých, pevně daných krocích.

V přibližně stejné době studoval Haldane vlastnosti řetězců atomárních magnetů a roli symetrie. Došel k názoru, že magnetické řetězce by měly mít fundamentálně rozdílné vlastnosti v závislosti na tom, jestli magnetické atomy mají celočíselný nebo poločíselný spin. Ukázal, že zatímco řetězce s celočíselným spinem jsou topologicky uspořádané a symetrie zůstává neporušená, řetězce s poločíselným spinem naopak topologické nejsou. V roce 1988 Haldane zjistil, že v excitačním spektru řetězců s celočíselným spinem existuje zakázaný pás, avšak řetězce s poločíselným spinem jej nemají. V dané době se jednalo pouze o předpoklad, který byl však později experimentálně potvrzen. Práce pomohla nalézt spojení mezi statistickou mechanikou, kvantovou mechanikou a fyzikou vysokých energií. Tyto obory mají nyní k dispozici nové teoretické nástroje.

Dnes fyzika pevných látek studuje různé topologické fáze v 2D a 3D materiálech, v supravodičích a kovech. Za zmínku stojí takzvané topologické izolátory, což jsou materiály, které jsou sice jako objemové materiály izolátory, ale mohou vést proud po povrchu díky zvláštním vlastnostem spinů povrchových elektronů. Tyto povrchové proudy mohou přenášet proud, případně informaci prakticky bezztrátově, a proto leží v centru pozornosti z hlediska využití v nových generacích elektronických prvků. Počítá se s nimi i pro konstrukci kvantových počítačů.

Archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop