Физика на плоскости

[stracciatella]

Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике этого года троим американским ученым за вклад в открытие топологических фазовых переходов и топологических фаз материи. Лауреатами стали Дэвид Таулесс (David J. Thouless) из Университета штата Вашингтон, Дункан Холдейн (Duncan M. Haldane) из Принстонского университета и Майкл Костерлиц (J. Michael Kosterlitz) из Брауновского университета.

Все трое работают в области физики конденсированных состояний, изучающей поведение сложных систем: жидкостей, твердых тел, электронной жидкости в металлах, сверхтекучих сред и других. Для нее характерно использование сложных математических моделей. Исследования Костерлица и Таулесса преимущественно касались объектов, которые можно назвать двумерными, поверхностей и сверхтонких пленок. Холдейн работал с объектами, столь тонкими, что их и вовсе можно счесть имеющими всего одно измерение. Поведение атомов и электронов в таких средах, как оказалось, заметно отличается от того, что мы встречаем в обычной жидкости или твердом теле.

Уже в первой половине XX века ученые узнали, что при очень низких температурах свойства веществ меняются неожиданным образом. В 1910-х годах нидерландский физик Хейке Кеммерлинг-Оннес, впервые в истории сумевший добиться температур, близких к абсолютному нулю и получить жидкий гелий, стал проводить эксперименты, изучая различные свойства веществ, охлажденных жидким гелием. В частности, его интересовало электрическое сопротивление ртути при очень низких температурах. В то время не было ясно, как поведет себя проводник, охлажденный до температуры в несколько кельвинов. Предполагалось даже, что движение электронов совсем прекратится и металл вовсе перестанет проводить электричество. Но Кеммерлиг-Оннес обнаружил нечто совсем иное. При достижении температуры в 4,15 кельвина электрическое сопротивление ртути исчезало. Кеммерлинг ввел для обнаруженного эффекта термин «сверхпроводимость». А значение температуры, при котором материал превращается в сверхпроводник, стали называть «критической температурой».В 1938 году Петр Капица открыл резкое уменьшение вязкости жидкого гелия при температуре при температуре ниже критической (2,19 кельвинов), это явление называют теперь сверхтекучестью. Объяснить явления сверхпроводимости и сверхтекучести ученые смогли, разработав квантовую теорию.

В 1970-х годах, работая в Бирмингеме, Костерлиц и Таулесс решили изучить фазовые переходы в тонких слоях вещества. Неожиданно они обнаружили, что в такой среде фазовые переходы происходят совершенно особым образом, не так, как, например, переход льда в жидкую воду при таянии. Ими был открыт совершенно новый тип фазовых переходов, получивший название «переход Березинского – Костерлица – Таулесса», или БКТ-переход. Поскольку в математическом описании этих фазовых переходов важную роль играют методы топологии, их называют также топологическими фазовыми переходами. Вадим Березинский (1935 – 1980) – еще один участник произошедшей тогда революции в физике конденсированных сред – работал в Институте теоретической физики имени Ландау. Он был физиком-теоретиком и в своих работах при помощи разработанного им весьма сложного математического аппарата предсказал ряд свойств двумерных систем. В частности, он доказал, что тонкая пленка жидкого гелия, толщиной всего в несколько ангстрем, при низких температурах будет обладать свойством сверхтекучести. Березинский ввел также важное для таких систем понятие поперечной жесткости.



Вадим Львович Березинский (1935 - 1980)

При топологическом фазовом переходе задействованы квантовые вихри в тонком слое материи. При низкой температуре они образуют тесные пары из двух противоположно направленных вихрей, а при повышении температуры, когда происходит фазовый переход, эти пары распадаются и вихри начинают существовать независимо. Такое явление было предсказано в работах Березинского «Разрушение дальнего порядка в одномерных и двумерных системах с непрерывной группой симметрии» (1970, 1971) и Костерлица и Таулесса «Ordering metastability and phase transitions in 2 dimensional systems» (1973). Для описания открытого учеными явления используют сравнение с ионизацией газа. При повышении температуры газ переходит в состояние плазмы, его частицы распадаются на свободные электроны и ионы, в целом же он остается нейтральным. Так и «частицы» двумерной системы, состоящие из двух вихрей, распадаются, и возникает «плазма» нейтральная по заряду, только не электрическому, а топологическому.



Механизм топологических переходов оказался универсальным для самых разных материалов и впоследствии оказался важным не только для физики конденсированных сред, но и для других областей физики. Теория переходов Березинского – Костерлица – Таулесса затем развивалась другими учеными, и многие ее постулаты были подтверждены экспериментально.

Данные экспериментов, в свою очередь, потребовали дальнейшего развития теории. В 1983 году Таулесс доказал, что знания о том, как материалы проводят электричество, были до сих пор неполны, так как не охватывали ряда явлений, происходящих при низких температурах в сильном магнитном поле. Примерно в то же время Дункан Холдейн обнаружил схожие явления, изучая поведение магнитных атомных цепочек (одномерных сред).

Загадочное явление, которому Таулесс дал теоретическое объяснение, называется квантовый эффект Холла. Экспериментально он был открыт в 1980 году немецким физиком Клаусом фон Клитцингом и его коллегами. В 1983 году фон Клитцинг получил за это открытие Нобелевскую премию. Клитцинг изучал зависимость поперечного сопротивления двумерного электронного газа от индукции магнитного поля. Как оказалось, при достаточно низких температурах в сильных магнитных полях при возрастании индукции на графике, изображающем сопротивление газа, будут «плато», участки, где оно не изменяется. Сопротивление принимало ряд определенных точных значений, изменяясь не непрерывно, а как будто время от времени поднимаясь на ступеньку. При этом значения этих «ступенек» оставались неизменными вне зависимости от температуры или количества примесей в проводнике.



Квантовый эффект Холла. Зависимость «холловского сопротивления» от магнитного поля

Таулесс объяснил это явление, используя топологию. Подобно тому, как топологические свойства объекта не будут меняться, как бы мы его не растягивали, но изменятся, если мы проделаем в нем отверстие. Следующие изменение произойдет, когда в объекте появится второе отверстие, и так далее. Также и квантовый холловский эффект проявляется скачкообразно.

В 1988 году Дункан Холдейн обнаружил, что топологический квантовый эффект Холла может проявляться и в тонких слоях проводника даже без магнитного поля. Лишь в 2014 году его теория была подтверждена в эксперименте с использованием атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля. А в более ранней работе, 1982 года, Холдейн рассмотрел даже случай одномерного проводника. Его модель описывала поведение электронов в цепочках атомов. Теперь она нашла применение и в реальности, в так называемых квантовых нитях и углеродных нанотрубках.

@темы: большой огромный коллайдер, yeah, science!, я даже не буду делать вид, что понимаю, о чем речь, ликвидация безграмотности

Comments

[Bats]