Miért is különösen érdekes kollégáink számára az idei fizikai Nobel-díj?

péntek, 2016, október 7

A kondenzált anyagok tudománya terén elért elméleti eredményeiért három brit születésű tudós, David James Thouless, valamint Frederick Duncan Michael Haldane és John Michael Kosterlitz érdemelte ki az idei fizikai Nobel-díjat a Svéd Királyi Tudományos Akadémia keddi stockholmi bejelentése szerint. A hivatalos weblapon közzétett egyoldalas kivonat és a nem szakmabeli tájékoztató ötoldalas anyag alapján számos hazai hírportál azonnal beszámolt az eseményről magyar nyelven is. A díjazott tudósok a topológia matematikai módszereinek alkalmazásával képesek voltak megmagyarázni az anyag különleges fázisainak – szupravezetők, szuperfolyadékok, illetve igen vékony mágneses filmek – meglepő tulajdonságait, és ezzel a kondenzált anyagok olyan új állapotainak kutatásai felé nyitották meg az utat, amelyek korábban ismeretlenek voltak.

A Wigner Fizikai Kutatóközpont számára a hír kiváltképpen örömteli, mivel több kutatócsoportunk is foglalkozik a topológiai fogalmak fizikában való alkalmazásával. A három kitüntetett tudós munkásságának köszönhetően a mai modern fizika fókuszában áll az új, egzotikus – úgynevezett topologikus – fázisok kutatása, és ezektől reméli a szakma többek között a jövőben újgenerációs elektronikai eszközök, szupravezetők, illetve a kvantumos számítógépek gyakorlati megvalósítását. Az elmúlt évtizedben az anyag topológiai fázisaival kapcsolatos kutatások ugrásszerűen felerősödtek az újabb és újabb kísérleti lehetőségek tükrében, és jelenleg egyfajta hidat képeznek a szilárdtestfizika, statisztikusfizika, kvantumoptika, kvantuminformáció-elmélet és az alkalmazott matematika számos részterülete között. Nem véletlen tehát, hogy Intézetünk kutatóira korábban is nagy hatással voltak a díjazottak eredményei, amelyekre építve a mai napig folyamatosan dolgozunk azok továbbcsiszolásán és további területeken való alkalmazásán. Elméleti kutatásaink többek között kiterjednek a kvantumos Hall-effektus, vékonyréteg szupravezetők, rácsmodellekben az úgynevezett Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-fázisátalakulás (BKT) és magának a Haldane-fázis tulajdonságainak vizsgálatára. De miért is érdekes mindez? Mi készteti a kutatókat arra, hogy ilyen feladatokkal foglalkozzanak?

A válasz abban rejlik, hogy a világ, amely szobahőmérsékleten körülvesz minket, egy olyan világ, amelynek a valódi kvantumos tulajdonságait elfedi a hőmérséklet. Azaz nem látjuk, hogy a világban semmi sem folytonosan, hanem minden ugrásszerűen (kvantumosan) változik. Ez például akkor válik láthatóvá, amikor nagyon alacsony hőmérsékletre hűtünk valamit. Alacsony hőmérsékleten ugyanis másképp viselkedik az anyag, és olyan tulajdonságai vannak, amelyeket szeretnénk kihasználni a minket körülvevő világ szobahőmérsékleti szintjén is. A helyzet korántsem egyszerű, ugyanis a kvantumfizikára épülő rendszerek leírásának bonyolultsága miatt közelítő modelleket kell alkotnunk, melyek gyakran nem adják elég hű leírását a jelenségeknek, vagy éppen egymásnak ellentmondó eredményekhez vezethetnek. E rejtélyekkel teli, számos meglepetést tartogató világ felfedezése már önmagában is csábító, de mindemellett konkrét gyakorlati cél is motiválja a kondenzált anyagok tulajdonságainak kutatását.

Mindannyiunk számára ismert ugyanis, hogy napjaink modern társadalma szinte elképzelhetetlen az információtechnológia biztosította lehetőségek nélkül, az ipari fejlesztések pedig teljes egészében a számítógépes szimulációkra épülnek. Manapság nem építenek óriási pénzösszegekért modelleket csak azért, hogy kiválasszák azok közül a legmegfelelőbbet, hanem professzionális számítógépes programokkal végzett szimulációk révén teszik ezt. Nem ez a helyzet viszont az egyre kisebb méretek esetén (pl. jövőbeni számítástechnikai eszközök), ahol nem alkalmazhatók a hétköznapokban megszokott klasszikus fizika törvényei, hanem kvantumfizikai megközelítésre van szükség. Emiatt a kísérleti berendezések megépítése, valamint az elméleti számítások és szimulációk együtt mintegy szétválaszthatatlan egységet képeznek. A díjazottak által vizsgált egzotikus fázisok éppen a jövőbeni számítástechnikai eszközök megalkotását és a kapcsolódó kvatuminformáció-elmélet továbbfejlesztését szolgálhatják. Az iskolában tanult, szilárd, folyékony és gáz állapotokon kívül ugyanis az anyagi világnak számos további állapota létezik. Ilyenek például a különféle mágneses, szuperfolyékony, plazma és topologikus állapotok. Az utóbbi években kísérletileg is felfedezett két- és háromdimenziós topologikus szigetelők éppen ilyen új fázisok, melyekben a Haldane-fázishoz hasonlóan a topologikus fázis szimmetria által védett, mint a topologikus szupravezetők esetében. Egy másik hasonló híres felfedezés az úgynevezett Kitaev-lánc, melyben a Majorana-módusok frakcionális qbitekként is felfoghatók. E felfedezés napjainkban számos új kísérlet elvégzését ösztönzi, bízva abban, hogy egyszer topologikus kvantumszámítógép gyakorlati megvalósítására is sor kerüljön.

Mindezek tükrében nem meglepő, hogy a három tudós munkássága és eredménye ámulatba ejtette a tudományos közvéleményt. Michael Kosterlitz és David Thouless ugyanis az 1970-es évek elején rácáfolt az akkor elfogadottnak számító elméletre, és bebizonyította, hogy vékony rétegekben is kialakulhat szupravezetés és szuperfolyékonyság, illetve magyarázatot adtak arra, hogy melegítés során miként veszik el az anyag e különleges tulajdonsága, azaz magára a végbemenő fázisátmenetre. Az 1980-as években Thouless kimutatta, hogy egy korábbi, nagyon vékony elektromos vezető rétegekkel végzett kísérletben mért változások (kvantumos Hall-effektus) topológiai eredetűek. Ezzel közel egy időben Haldane az ún. nemlineáris szigma-modell megoldásával felfedezte, hogy a topológiai fogalmak miként használhatók a bizonyos anyagokban lévő parányi mágnesláncok tulajdonságainak megértéséhez. Többek között megmutatta, hogy a félegész és egész spinű mágneses láncok teljesen eltérő tulajdonsággal rendelkeznek, illetve bizonyos esetekben a láncok végén szabad spinek képződnek, melyek a legegyszerűbb topologikus fázishoz vezetnek. A 90-es évek közepétől több olyan létraszerű struktúrával rendelkező anyagcsalád előállítására is lehetőség nyílt, melyek ilyen elemi láncok egymáshoz kapcsolásával írhatók le, így a Haldane által kidogozott elmélettel ezek viselkedése azonnal magyarázhatóvá vált. Érdekes megjegyezni továbbá, hogy Haldane napjainkban is igen aktív és többek között 2008-ban ő vezette be az úgynevezett összefonódottsági Hamilton és spektrum fogalmát a kondenzált anyagok fizikájába, mellyel egy újabb kapcsolatot hozott létre a kondenzált anyagok fizikája és a kvatuminformáció-elmélet között.

A Nobel-díj híre reményeink szerint tovább sarkallja az Intézetünkben folyó magas szintű kutatómunkát és egyben elősegítheti fiatal tehetséges tudósjelöltek e területre való csábítását, ami további lehetőséget biztosítana a hazai kutatói és innovációs utánpótlás nevelésére is.

Legeza Örs írása

Kép forrása: AFP/Jonathan Nackstrand

hírkategória: 
Címkefelhő: