Странные состояния: за что вручили Нобелевскую премию по физике?

Лауреат Нобелевской премии по физике 2016 года Майкл Костерлиц
Лауреат Нобелевской премии по физике 2016 года Майкл Костерлиц Lehtikuva/Roni Rekomaa/via REUTERS

Нобелевскую премию по физике присудили трем британским ученым, работающим в США: Дэвиду Таулесу, Дункану Халдейну и Майклу Костерлицу «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Французский физик, специалист в области топологических фаз материи Давид Карпентье в интервью RFI на примере кусочка пластилина и бублика объяснил, что такое топология, и рассказал, как открытия нобелевских лауреатов по физике этого года могут помочь создать квантовый компьютер.

Реклама

Физик Давид Карпентье
Физик Давид Карпентье ens-lyon.fr

Топология — это раздел математики, изучающий свойства различных предметов, которые не зависят от их деформаций.

Сюда входит характеристика совокупности поверхностей. Представьте небольшой кусок пластилина, который мы мнем и деформируем. С точки зрения топологии, мы не меняем его свойства, но, например, никогда не сможем его превратить в нечто напоминающее обруч или бублик, не разорвав его.

Априори, топология — довольно абстрактная и совсем не естественная для физики область знаний. Она не входит в научный багаж физики твердого тела. Довольно необычная идея — использовать инструменты топологии для описания поведения конденсированного вещества в различных фазах.

Эту Нобелевскую премию присудили как раз за то, что ученые искали оригинальные и неестественные идеи для описания новых состояний материи. И это открывает огромное поле возможностей для описания новых свойств веществ.

Эту Нобелевскую премию присудили как раз за то, что ученые искали оригинальные и неестественные идеи для описания новых состояний материи. И это открывает огромное поле возможностей для описания новых свойств веществ.

Давид Карпентье

Это вовсе не естественное, не интуитивное описание материи. Потому что оно основывается на этом абстрактном инструменте — топологии. Но в общем можно сделать вывод о том, что все интересное, что происходит при топологических фазах — происходит на поверхности. Топология помогает комплексно объяснить, что происходит внутри объема вещества в этих различных фазах. Но в конце концов, если посмотреть на физические свойства этих топологических фаз, все будет происходить на поверхности. Именно существование «экзотических» состояний поверхности вследствие топологических свойств интересует нас в первую очередь.

Сверхпроводимость будет здесь основой. Сегодня исследователи интересуются не обыкновенной, привычной, а топологической сверхпроводимостью. Как я говорил ранее, нас здесь не интересует, что происходит внутри объема: здесь происходит то же самое, как только мы получили топологический сверхпроводник, нас больше не интересует тот факт, что это — сверхпроводник. Интересно скорее то, что на поверхности этого суперпроводника будут наблюдаться новые или, как их называют, майорановские состояния вещества. Предметом изучения будет именно то, как проявляются на поверхности топологические свойства сверхпроводника, изолятора или вещества в той или иной фазе.

Фермион Майораны (являющийся своей собственной античастицей — RFI)  определенное время был «святым граалем» для ученых. Не удавалось установить точно, существуют или нет майорановские частицы на поверхности топологических сверхпроводников. Идея о том, что эти частицы, одновременно являются античастицами сами себе была теоретическим предположением физика Этторе Майораны, которому не находилось неопровержимого доказательства.

И мы не предполагали найти его в конденсированном состоянии вещества. Но это оказалось субпродуктом физики топологических фаз, которая описывает частицы на поверхности сверхпроводников, которые являются своими же собственными античастицами. Это — одно из странных состояний на поверхности топологических фаз веществ.

Второе — то, что на поверхности этих топологических изоляторов присутствуют металлы. А в этих металлах — частицы, электроны, которые являются составными частями всех твердых тел, которые ведут себя, как если бы они передвигались со скоростью света. Это может быть очень странным, нестандартным свойством, с точки зрения физики твердого тела.

Эту Нобелевскую премию присудили за очень теоретические исследования. Если представить возможные практические применения этих открытий, я уже упомянул топологические изоляторы с новыми твердыми материями, новыми металлами, новым поведением электронов на их поверхности. И ученые исследуют применение этих топологических поверхностей в электронике.

Мы также упомянули фермионы Майораны, которые являются собственными античастицами, — это крайне стойкие частицы, невосприимчивые к изменениям окружающей среды, и это их самое интересное свойство, они не реагируют на возмущение среды. В будущем же они могут послужить «кирпичиками» для создания квантового компьютера.

РассылкаПолучайте новости в реальном времени с помощью уведомлений RFI

Скачайте приложение RFI и следите за международными новостями