Superledelse bliver mulig gennem en eksotisk stoftilstand. Hvad der ligger bag, har dette års nobelprisvindere afsløret (Foto: ktsimage / iStock)
Nobelprisen for fysik 2016 gives til tre forskere, der har afdækket og undersøgt usædvanlige stoftilstande i verden af ​​de mindste partikler - David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz. De eksotiske faser, som de udforsker med matematiske midler, er afgørende for superledningsevne, for fænomenet glatte væsker og for opførsel af magnetiske ultratinlag.

Under normale forhold forekommer stof i tre tilstande: fast, flydende eller luftformigt. Men ved temperaturer tæt på absolut nul og i ultratinlag vises mere eksotiske tilstande. Således bliver et fast stof pludselig en superleder, så elektroner kan passere uden modstand. Helium-4 bliver til gengæld overflødig - en glat væske, der kan strømme op lodrette vægge og fortsætte med at rotere i virvelen i uendeligt lang tid. Indtil 1970'erne var der imidlertid ingen forklaring på disse mystiske tilstande og materie. Dette ændrede sig, da David Thouless og Michael Kosterlitz, i dag på University of Washington i Seattle og Brown University, mødtes i begyndelsen af ​​1970'erne i Birmingham, UK, og besluttede at komme til bunden af ​​disse fænomener.

Deres tilgang var temmelig usædvanlig, fordi de brugte en matematisk tilgang - topologien. Den bruger formler til at beskrive egenskaberne for geometriske objekter, der forbliver de samme, når de forvrænges, strækkes eller vrides. I topologi er f.eks. En kugle og en skal i samme kategori, fordi de kan omdannes til hinanden ved deformation. En kaffekop og en donut hører sammen om et sekund, fordi de begge har et hul i dem.

Nano-virvel i materialet

For første gang kiggede Thouliss og Kosterlitz på faststoffer med topologiens øjne og opdagede således, hvilke regelmæssigheder der kontrollerer de eksotiske faseovergange i ultrathin, koldt stof. I sidste ende spiller huller - eller mere præcist virvler - også en afgørende rolle. Under normale forhold forekommer sådanne virvler kun sporadisk i et lavt fast stof - de afviser. Men tæt på absolut nul danner disse virvler par i ultratinlaget. I tilfælde af superledere er disse for eksempel magnetisk neutrale Cooper-par af elektroner - en proces, der faktisk strider mod fysikkens love. Thouless og Kosterlitz har gennem deres forskning vist, at dette er fysisk muligt og ganske forklareligt i ekstremt kolde temperaturer og i ultratinlag. De tilvejebragte således det fysiske grundlag for en ny æra inden for fast tilstandsfysik og en helt ny forståelse af processer på atomniveau.

Duncan Haldane, nu ved Princeton University, arbejdede med Thouless i 1980'erne for at studere de topologiske egenskaber ved magnetiske atomkæder. Han overførte resultaterne af sine kolleger til ultratin, kvasi to-dimensionelle lag på et kvasi-en-dimensionelt niveau og hjalp til med at skabe et nyt syn på sådanne atomstrukturer. udstilling

"De tre vindere i år har opnået overraskende resultater ved hjælp af topologi, som har skabt helt nye forskningsområder og muliggjort fremkomsten af ​​nye og vigtige koncepter inden for flere fysikområder, " siger Nobelprisudvalget. Takket være de tre fysikers banebrydende arbejde er søgningen efter nye, eksotiske stoftilstande i fuld gang i dag. "Mange mennesker håber på fremtidige anvendelser inden for materialevidenskab og elektronik, " siger udvalget.

kilde:

  • Nobel Foundation
© science.de - Nadja Podbregar
Anbefalet Redaktørens Valg