نظریه‌پردازان بریتانیایی برای کارهای خود در شاخه‌ی فاز توپولوژیکی شایسته‌ی دریافت جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۱۶  شناخته شدند.

دیوید تاولس (David Thouless)، دونچان هالدان (Duncan Haldane) و مایکل کوسترلیز (MichaelKosterlitz) موفق به توضیح حالت عجیب ماده در دو بعد، مشهور به فاز توپولوژیک، و دریافت جایزه‌ی نوبل شدند.

برندگان جایزه‌ی نوبل: دیوید تاولس، دونچان هالدان و مایکل کوسترلیز

این سه تن، تلاش خود، برای توضیح رفتار ناهنجار سطحی مواد دو بعدی و لایه‌های نازک (شامل ابررسانش و مغناطش در مواد بسیار نازک) را از دهه‌ی ۷۰ و ۸۰ میلادی آغاز کردند.

هالدان، معتقد است در آن زمان نظریه‌های ریاضی بسیار انتزاعی بودند. او در مصاحبه با کمیته‌ی نوبل گفت: «از دریافت این جایزه، بسیار شگفت‌زده و خشنود هستم».

اکنون فیزیک‌دان‌ها حالت‌های مشابه مواد را جست‌وجو می‌کنند؛ این گونه، نسل‌ تازه‌ی الکترونیک و رایانه‌های کوانتومی از راه خواهند رسید. با به کار بستن نظریه‌ی این سه تن، همچنین می‌توان مواد جالبی به نام مقاومت‌های توپولوژیکی (موادی که در حالت حجمی نسبت به هدایت جریان الکتریکی مقاومت دارند، و در سطح رسانا می‌باشند) را نیز تولید کرد.

فیزیک و توپولوژی

سه برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، همه، رفتار ناهنجار ماده را با مفهوم ریاضی‌ توپولوژی توضیح داده‌اند؛ توپولوژی ویژگی‌هایی از ماده را که تحت تغییر شکل (و نه از هم گسستگی) ثابت‌می‌مانند، توضیح می‌دهد.  

نایژل کوپر (Nigel Cooper)، فیزیک‌دان نظری، در دانشگاه کمبریج بریتانیا، می‌گوید: «به روش‌های متفاوتی نشان داده‌اند که مفهوم توپولوژی می‌تواند به ایجاد شکل‌هایی از مواد که پیش از این درک نمی‌شدند، بی‌انجامد».

یک ریسمان حلقه‌ای با یک گره را تصور کنید؛ بدون بریدن این ریسمان نمی‌توان گره را حذف کرد. ویژگی‌های توپولوژیکی نیز تمایل به بقا دارند. به عنوان نمونه به سادگی می‌توان جریان‌های چرخشی درون سیال را جابه‌جا کرد اما نابود کردن‌شان دشوار است. امانوئل بلاخ (Immanuel Bloch) که در دانشگاه مونیخ، در آلمان، به بررسی تجربی پدیده‌های توپولوژیکی پرداخته است، می‌گوید: «به سبب توپولوژی، این جریان‌ها حفظ می‌شوند و نمی‌توان به سادگی آن‌ها را حذف نمود».

تاولس و کوسترلیز، در زمان فعالیت در دانشگاه بیرمنگام، بریتانیا، از توپولوژی برای توضیح انواع خاصی از گذارهای فاز بهره جستند. شاخصه‌ی نظم اتم‌ها در فازهای گوناگون ماده -‌مانند جامد، مایع و گاز- متفاوت است. در دهه‌ی ۷۰، پژوهش‌گران دریافتند که به سبب افت‌وخیزها، در مواد دو بعدی، حتی در دمای نزدیک به صفر، نظم، به هیچ شکلی نمی‌تواند باقی بماند.

تاولس و کوترلیز نشان داده‌اند که گذار فازهای توپولوژیک (که در آن یک ماده میان حالت‌هایی با توپولوژی‌های متفاوت دو نوسان است) در لایه‌های نازک امکان‌پذیر هستند. با به کار بستن این مدل، می‌توان نشان داد که ابررسانش در دماهای پایین روی داده و در دماهای بالا ناپدید می‌شود. آن‌ها هم‌چنین توضیح دادند که سازوکار ایجاد اثر نیز از بین می‌روند.

نظریه‌ی آن‌ها -‌گذار کوسترلیزـتاولس (KT)‌- در طیف وسیعی از مواد دو بعدی به کار بسته شد و تبدیل به ابزاری مفید در فیزیک گشت. (وادیم برزینسکی (Vadim Berezinskii)، فیزیک‌دان اوکراینی، نظریه‌های مشابهی ارائه داده‌ و در مبحث گذار، نام او هم‌عرض با کوسترلیز و تاولس قرار دارد. به همین سبب برزینسکی نیز شایسته‌ی دریافت این جایزه می‌بود؛ اما وی در سال ۱۹۸۰ از دنیا رفت.)

اثرهای کوانتومی

در سال ۱۹۸۲، تاولس پدیده‌ای به نام اثر هال کوانتومی را نیز توضیح داد (این پدیده در سال ۱۹۸۰ و توسط فیزیک‌دان آلمانی، کلاوز وون کلیتزینگ (Klaus von Klitzing) کشف شد. این فیزیک‌دان در سال ۱۹۸۵ و به سبب این کشف جایزه نوبل را از آن خود کرد. زمانی که  الکترون‌های محدود به سطح لایه‌ی نازک، تا نزدیک به صفر سرد شده و در میدان قوی مغناطیسی قرار می‌گیرند، به شکلی منظم و با رسانشی فزاینده (با افزایش میدان مغناطیسی) شارش می‌یابند.).

تاولس نشان داد که اثر کوانتومی هال نیز یک پدیده‌ی توپولوژیکی است. تغییرات در ویژگی‌های سامانه به صورت نرم و پیوسته (که به بیان ریاضی یک تغییر شکل در سامانه‌ی توپولوژیکی است) نبوده و در گام‌های ناگهانی روی می‌دهند.

رودریش مسنر (Roderich Moessner)، فعال در شاخه‌ی ماده‌ی چگال نظری، در موسسه‌ی سیستم‌های پیچیده‌ی ماکس پلانک، در آلمان، اثر کوانتومی هال را غافل‌گیرکننده می‌داند. او می‌گوید: «تاولس متوجه شد که توپولوژی کلید این قفل است».

هالدان، همچنین، مفهوم توپولوژی را در زنجیره‌ی اتم‌های مغناطیسی به کار بسته است. او در سال ۱۹۸۲ دریافت که در زنجیره‌هایی خاص، رفتار توپولوژیکی به اسپین‌های نیم‌صحیح در دو سر می‌انجامد. از آن جایی که این ویژگی کوانتومی وابسته به کنش کلی زنجیره است، احتمالا پدیده‌های مشابه در رمزگذاری داده‌ها در رایانه‌های کوانتومی به کار خواهند آمد.

این نظریه‌پردازان بریتانیایی اکنون همگی در ایالات متحده فعالیت می‌کنند: تاولس در دانشگاه واشنگتن، سیاتل؛ کوسترلیز در دانشگاه براون در پراویدنس، در جزیره‌ی رودس؛ و هالدان در دانشگاه پرینستون در جرسی. نیمی از این جایزه‌ی ۸ میلیون کرونی (۹۴۰۰۰۰ دلار ایالات متحده) به تاولس خواهد رسید و نیمه‌ی دیگر نیز به صورت مساوی میان کوسترلیز و هالدان تقسیم خواهد شد.

منبع:

physics-of-2d-exotic-matter-wins-nobel

مرجع:

Nature 538,18(06 October 2016)doi:10.1038/nature.2016.20722