Ovogodišnji laureati su otvorili vrata nepoznatom svetu u kojem materija postoji u neobičnim stanjima. Nobelova nagrada za fiziku 2016. godine je dodeljena jednom polovinom Dejvidu Dž. Toulesu (David J. Thouless) sa Univerziteta u Vašingtonu iz Sijetla, a drugom polovinom F. Dankanu Haldejnu (F. Duncan Haldane) sa univerziteta Prinston i Dž. Majklu Kosterlicu (J. Michael Kosterlitz) sa Univerziteta Braun iz Providensa. Njihova su otkrića dovela do proboja u teorijskom razumevanju misterija materije i stvorila nove perspektive u razvoju novih materijala.
Dejvid Toules, Dankan Haldejn i Majkl Kosterlic su iskoristili napredne matematičke metode da objasne neobične fenomene u nestandardnim fazama (ili stanjima) materije, kakva su superprovodnici, superfluidi ili tanki magnetni filmovi. Kosterlic i Toules su istraživali pojave koje nastaju u ravnom svetu – na površinama ili unutar izuzetno tankih slojeva koje možemo smatrati dvodimenzionalnim, u poređenju sa trodimenzionalnim (dužina, širina i visina) kojima obično opisujemo stvarnost. Haldejn je takođe istraživao materiju koja uobličava toliko tanke niti da ih možemo posmatrati kao jednodimenzionalne.
Fizika koja je na snazi u ravnicama se veoma razlikuje u odnosu na naša svakodnevna iskustva. Čak i kada se veoma tanko raspoređena materija sastoji od miliona atoma, pa i kada se ponašanje svakog atoma može opisati kvantnom fizikom, atomi pokazuju sasvim različite osobine kada se u velikom broju nađu zajedno. Novi zajednički fenomeni se sistematski otkrivaju u ovim ravnicama, a fizika čvrstog stanja je jedno od najizazovnijih polja fizike.
Kvantna fizika postaje vidljiva na hladnoći
Dubinski gledano, materija se povinuje zakonima kvantne fizike. Gasovi, tečnosti i čvrsta tela su uobičajena stanja materije, u kojima su kvantni efekti obično skriveni nasumičnim kretanjima atoma. Ali na izvanrednoj hladnoći, blizu apsolutne nule (-273 stepena Celzijusa), materija zauzima nova i neobična stanja i ponaša se na neočekivane načine. Kvantna fizika, koja je inače na snazi samo u mikrosvetu, odjednom postaje vidljiva (Slika 1).
Obična stanja materije menjaju jedno drugo kada se menja temperatura. Na primer, takav fazni prelaz se događa kada led, koji se sastoji od uređenih kristala, zagreva se i topi u vodu, haotičnije stanje materije. Kada pogledamo malo poznate ravnice materije, nalazimo stanja materijala koja još uvek nisu bila u potpunosti istražena.
Na hladnoći se dešavaju čudne stvari. Recimo otpornost, koja se inače pojavljuje kod svih pokretnih čestica, najednom nestaje. Upravo je ovo slučaj kada električna struja teče bez otpora u superprovodniku ili kada se vrtlog u superfludu obrće zauvek bez usporavanja.
Prvi čovek koji je sistematski istraživao superfluide bio je sovjetski fizičar Pjotr Kapica (Пётр Леонидович Капица) tridesetih godina prošlog veka. On je hladio helijum-4, koji postoji u vazduhu, do -271 stepena Celzijusa i naterao ga da puzi uz zidove svoje posude. Drugim rečima, materija se ponašala onako čudno kako se od superfluida i očekuje kada viskoznost u potpunosti iščezne. Kapica je 1978. godine nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku, a od tada je u laboratoriji stvoreno nekoliko tipova superfluida. Superfluidni helijum, tanki filmovi superprovodnika, tanki slojevi magnetskih materijala i elektroprovodne nanoniti su neke od mnogih faza materijala koje se sada intenzivno istražuju.
Parovi vrtloga nude rešenje
Istraživači su dugo smatrali da termičke fluktuacije uništavaju uređenost stanja u materiji ravnog, dvodimenzionalnog sveta, čak i na apsolutnoj nuli. Ako ne postoje uređene faze, ne mogu postojati ni fazni prelazi. Ali tokom ranih 1970-tih, Dejvid Toules i Majkl Kosterlic su se susreli u Birmingemu (Birmingham) u Velikoj Britaniji i pokušali da se usprotive trenutnoj teoriji. Zajedno, oni su problem faznih prelaza premestili u ravnice (prvi iz radoznalosti, drugi iz neznanja, kako sada tvrde). Ova saradnja je dovela do potpuno novog razumevanja faznih prelaza, koji se u teoriji fizike čvrstog stanja smatraju jednim od najvažnijih otkrića dvadesetog veka. Nazvana je KT tranzicija (Kosterlic-Toules tranzicija) ili BKT tranzicija, gde B označava preminulog Vadima Berezinskog, moskovskog fizičara koji je ukazivao na slične ideje.
Topološki fazni prelaz nije običan fazni prelaz, kao onaj između leda i vode. U topološkom prelazu glavnu uloga igraju mali vrtlozi ravnog materijala. Na niskim temperaturama oni formiraju bliske parove. Kako temperatura raste, dešava se fazni prelaz: vrtlozi dižu jedra i naglo se razdvajaju, svaki na svoju stranu (Slika 2).
Sjajna stvar kod ove teorije je da se ona može primeniti kod različitih tipova materijala pri malim dimenzijama – KT tranzicija je univerzalna. Postala je koristan alat koji se ne primenjuje samo u svet čvrstih stanja, već i u drugim oblastima fizike, kakva su atomska fizika ili statistička mehanika.
Misteriozni kvantni skokovi
Napredak u eksperimetnisanju je konačno doneo brojna nova stanja materije koja zahtevaju objašnjenje. Tokom 1980-tih, Dejvid Duls i Dankan Haldejn su demonstirali fundamentalno novi teorijski rad koji je uzdrmao ranije teorije, pre svega kvantnu mehaničku teoriju pri određivanju električne provodnosti materijala. Ona je bila početno postavljena 1930-tih, a već dvadesetak godina kasnije preovladalo je mišljenje o dobrom razumevanju ove oblasti fizike.
Stoga je, na opšte iznenađenje, 1983. godine Dejvid Toules dokazao da je ranija slika bila nepotpuna i da je, pri niskim temperaturama i u jakom magnetskom polju, neophodna nova teorija u kojoj bi presudnu ulogu imali topološki koncepti. Dankan Haldejn je takođe stigao do sličnog, jednako neočekivanog zaključka tokom analize magnetskih atomskih lanaca. Njihov rad je bio oruđe u kasnijem dramatičnom razvoju teorije novih stanja materije.
Misteriozni fenomen koji je, korišćenjem topologije, Dejvid Toules teorijski objasnio jeste kvantni Hal efekat. Nemački fizičar Klaus fon Klicing (Klaus von Klitzing), nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku 1985. godine, otkrio ga je 1980. godine. Istaživao je tanke provodne slojeve između dva poluprovodnika, gde su elektroni ohlađeni do par stepeni iznad apsolutne nule, a onda izloženi jakom magnetskom polju.
U fizici, drastično ponašanje uzrokovano sniženjem temperature nije neobično; na primer, mnogi materijali tada postaju magneti. Ovo se dešava zato što se tada svi mali atomski magneti u materijalu naprasno usmere u istom pravcu, čime stvaraju jako magnetsko polje koje se može meriti.
Ipak, kvantni Hal efekat je znatno teže razumeti; izgleda da električna provodljivost u sloju može da dostigne samo određene, uz to izuzetno precizne vrednosti, što je u fizici neobično. Merenja daju potpuno iste rezultate čak i kada se menjaju temperatura, magnetsko polje ili količina nečistoća u poluprovodniku. Kada se magnetsko polje dovoljno promeni, provodnost sloja je takođe menja, ali tek skokovito; smanjenje magnetskog polja isprva pojačava otpornost dva puta, zatim tri puta, četiri puta i tako dalje. Ovi celobrojni skokovi se nisu mogli objasniti fizikom tadašnjeg vremena, ali Dejvid Toules je, korišćenjem topologije, našao rešenje zagonetke.
Topološko rešenje
Topologija opisuje osobine koje se ne menjaju kada objekat razvlačimo, uvrćemo ili deformišemo, ali ne i ako ga iskidamo. Topološki, sfera i čaša pripadaju istoj kategoriji, pošto se sferni grumen gline može pretvoriti u čašu. Sa druge strane, đevrek sa rupom u sredini i šoljica za kafu sa rupom u dršci pripadaju drugoj kategoriji; one se mogu transformisati jedna u drugu. Topološki objekti mogu da sadrže jednu rupu, ili dve ili tri, ili četiri… ali ovaj broj mora biti ceo. Ispostavilo se da je ovo korisno u opisivanju električne provodnosti koju uočavamo u kvantnom Halovom efektu, koja se jedino menja u koracima koji su tačni umnošci celog broja (Slika 3).
U kvantnom Halovom efeku, elektroni se kreću relativno slobodno u sloju između poluprovodnika i stvaraju nešto što nazivamo topološki kvantni fluid. Na isti način kao što se nove osobine često pojavljuju kada se puno čestica nađu zajedno, elektroni u topološkom kvantnom fluidu takođe pokazuju iznenađujuće osobine. Baš kao što ne možemo biti sigurni da li u šoljici postoji rupa posmatrajući samo njen mali deo, nemoguće je odrediti da li su elektroni formirali topološko kvantno polje ako posmatramo samo neke od njih. Ipak, provodnost opisuje zajedničko kretanje elektrona i, zbog topologije, menja se stepenasto; kvantifikovana je. Još jedna karakteristika topološkog kvantnog polja je da njegove granice imaju neobične osobine. Sve ovo je pretviđeno teorijom i kasnije je potvrđeno eksperimentima.
Sledeći korak je načinjen 1988. godine, kada je Dankan Haldejn otkrio da topološka kvantna polja, kakvo je ono iz kvantnog Halovog efekta, mogu da nastanu u tankim poluprovodničkim slojevima čak i kada nema magnetskog polja. Rekao je da nije mogao ni da sanja da će njegov teorijski model biti eksperimentalno proveren, ali već 2014. godine model je potvrđen eksperimentom u kojem su atomi ohlađeni do skoro apsolutne nule.
Novi topološki materijali u cevovodu
U nešto ranijem radu, iz 1982. godine, Dankan Haldejn je jednom pretpostavkom zapanjio čak i eksperte ovog dela fizike. U teorijskim istraživanjima lanaca magnetskih atoma koji nastaju u određenim materijalima, otkrio je da lanci imaju fundamentalno različite osobine u zavisnosti od karaktera atomskih magneta. U kvantnoj fizici postoje dve vrste atomskih magneta, neparni i parni. Haldejn je pokazao da je lanac koji formiraju parni magneti topološki, dok lanac neparnih magneta to nije. Baš kao kod topološkog kvantnog fluida, nije moguće odrediti da li je atomski lanac topološki ili nije tek istraživanjem njegovog malog dela. I, baš kao i u slučaju kvantnog fluida, topološke karakteristike se razotkrivaju na ivicama. U ovom slučaju se radi o kraju lanca, pošto se kvantna osobina spin prepolovljuje na kraju topološkog lanca.
Na početku niko nije verovao Haldejnovim razmatranjima atomskih lanaca; istraživači su bili ubeđeni da ih već u potpunosti razumeju. No, ispostavilo se da je Haldejn otkrio prvi primer nove vrste topološkog materijala, što je sada živo polje istraživanja u fizici čvrstog stanja.
I kvantni Halov efekat i parni magnetski lanci su uključeni u novu grupu topoloških stanja. Kasnije, istraživači su otkrili nekoliko drugih neočekivanih topoloških stanja materije, ne samo u oblicima lanaca li tankih graničnih slojeva, već i u običnim trodimenzionalnim materijalima.
Danas se priča o topološkim izolatorima, topološkim superprovodnicima i topološkim metalima. Oni su primeri oblasti koje su, u poslednjih desetak godina, odredile prvu liniju istraživanja u fizici čvrstog stanja, ne samo zbog očekivanja da će topološki materijali biti korisni u novim generacijama elektronike i superprovodnika ili u budućim kvantnim računarima. Trenutna istraživanja razotkrivaju tajne materije u egzotičnim ravnicama koje su otkrili ovogodišnji Nobelovi laureati.