Fyzika tuhých látok – málo známa, ale dôležitá disciplína, ktorú zviditeľní Nobelova cena

26. okt. 2016 • Fyzikálne vedy

Fyzika tuhých látok – málo známa, ale dôležitá disciplína, ktorú zviditeľní Nobelova cena

Teoretické objavy topologických fázových prechodov a topologických fáz hmoty. Tak znie práca, za ktorú trojica významných vedcov získava tohoročnú Nobelovu cenu za fyziku. Sú nimi traja Briti pôsobiaci na univerzitách v Spojených štátoch amerických David Thouless, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz, pričom ich mená svetu predstavila Kráľovská švédska akadémia vied (The Royal Swedish Academy of Sciences).

Podľa doc. RNDr. Richarda Hlubinu, DrSc. z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave skúmanie fáz alebo skupenstiev a prechodov medzi nimi patrí medzi základné úlohy pomerne málo známej, ale dôležitej fyzikálnej disciplíny – fyziky tuhých látok. „V závislosti od teploty a tlaku sa napríklad voda môže nachádzať v troch rôznych skupenstvách: plynnom, kvapalnom a tuhom. Rôzne skupenstvá majú diametrálne rôzne fyzikálne vlastnosti – napríklad po zamrznutom rybníku sa dá prejsť, pretože ľad neobteká naše chodidlá, kým do vody sa kvôli jej schopnosti tiecť ponoríme. Tieto rozdiely nám pripadajú banálne, pretože sú v zhode s našou každodennou skúsenosťou, ale keď si uvedomíme, že sily medzi molekulami vody sú vo všetkých fázach rovnaké, vznikne prirodzená otázka o pôvode týchto rozdielov,“ objasňuje náš vedec.

Pokračuje, že štandardná teória vysvetľuje tieto rozdiely pomocou predstavy o rozdielnom usporiadaní čiastočiek hmoty – v opisovanom príklade molekúl vody – v rôznych fázach. „Prítomnosť alebo absenciu usporiadania pritom možno určiť pozorovaním malého kúska materiálu, napríklad v ľade molekuly vody vykonávajú iba malé kmity okolo fixovaných polôh, kým vo vode a v pare molekuly nemajú vopred fixované preferované miesta. Podobným spôsobom – t. j. identifikáciou vhodných tzv. lokálnych parametrov usporiadania – štandardná teória vysvetľuje aj rozdiely medzi nemagnetickými a magnetickými látkami, normálnymi kvapalinami a tzv. supratekutinami (kvapalinami s nulovou viskozitou), obyčajnými kovmi a supravodičmi, ako aj mnohé iné fázové prechody. Hlavnou úlohou po objave akejkoľvek novej fázy teda zvyklo byť nájsť vhodný lokálny parameter usporiadania.“

Treba rozšíriť paradigmu

Ocenení fyzici D. J. Thouless, F. D. M. Haldane a J. M. Kosterlitz však podľa doc. RNDr. Richarda Hlubinu, DrSc. ukázali, že doterajšia paradigma pre popis fáz a fázových prechodov nie je úplná a je potrebné ju rozšíriť. „Našli totiž príklady takých fázových prechodov, kedy jednotlivé fázy vykazujú rôzne makroskopické vlastnosti (napríklad tuhosť alebo naopak schopnosť tiecť) aj bez toho, aby sa dali rozlíšiť pomocou lokálneho parametra usporiadania. Ukázali tiež, že na to, aby sme takéto fázy dokázali rozlíšiť, je potrebné skúmať ich globálne vlastnosti. Oblasť matematiky, ktorá sa takýmito vlastnosťami zaoberá, sa nazýva topológia. Preto sa v nominácii spomínajú topologické fázové prechody a topologické fázy hmoty.“

Aj Kráľovská švédska akadémia vied (The Royal Swedish Academy of Sciences) pri rozhodnutí, komu poputuje tohoročná Nobelova cena v kategórii fyzika, usúdila, že ocenení britskí vedci urobili pokrok v teoretickom chápaní tajomstva hmoty a vytvorili perspektívy pre vývoj nových materiálov. „Laureáti otvorili dvere do neznámeho sveta, kde sa hmota môže vyskytovať v podivnom stave. Využili pokročilé matematické metódy na štúdium neobvyklých fáz či stavov a hmôt ako sú supravodiče a tiež supratekutiny. Vďaka ich priekopníckej práci sa teraz hľadajú nové exotické fázy hmoty. Mnoho ľudí dúfa, že bude môcť vbudúcnosti využiť tieto objavy vo vede o materiáloch a v elektronike," odôvodnila akadémia vo svojej tlačovej správe.

Laureáti na Nobelovu cenu za fyziku 2016:

David J. Thouless

Universityof Washington, Seattle, WA, USA

F. Duncan M. Haldane

Princeton University, NJ, USA

J. Michael Kosterlitz

Brown University, Providence, RI, USA

 

Mená týchto laureátov boli ohlásené  4. 10. 2016. Podľa rozhodnutia švédskej akadémie vied polovica ceny pripadne Davidovi Thoulessovi a o druhú polovicu sa podelia Duncan Haldane a Michael Kosterlitz.

Ešte z minulého storočia

Ako uvádza doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc., teoretické objavy ocenenené tohtoročnou Nobelovou cenou boli uskutočnené v sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch minulého storočia. „Napriek ich zjavnému konceptuálnemu významu pre celú fyziku tuhých látok a napriek ich matematickej elegancii (mimochodom, tú považoval Albert Einstein za jedno z hlavných kritérií správnosti teórie), k ich oceneniu prišlo až teraz. Domnievam sa, že k zmene postoja Švédskej kráľovskej akadémie došlo predovšetkým v dôsledku mini revolúcie vo fyzike tuhých látok zhruba v poslednom desaťročí.“

Táto mini revolúcia podľa neho súvisí s explóziou prác o tzv. topologických izolantoch, od ktorých si vedecká komunita sľubuje ďalšie objavy fundamentálneho významu, ale potenciálne aj aplikácie v elektronike a kvantovej informatike. Na začiatku tejto revolúcie boli práve práce tohtoročných laureátov Nobelovej ceny, tvrdí náš fyzik.

Očakáva, že ocenenie D. J. Thoulessa, F. D. M. Haldanea a J. M. Kosterlitza bude mať pozitívny vplyv aj na fyziku tuhých látok na Slovensku. „Medzi širšou verejnosťou na Slovensku totiž z rôznych dôvodov nie je krása a význam tejto disciplíny dostatočne známa. Paradoxom pritom je, že medzi profesionálnymi fyzikmi na Slovensku je komunita fyzikov tuhých látok najpočetnejšia a mnohí predstavitelia tejto komunity patria medzi absolútnu špičku slovenskej fyziky.“ Tohtoročná Nobelova cena by podľa neho mohla prispieť k zviditeľneniu tejto menej známej disciplíny, ako aj k tak potrebnému prílevu nových talentov na naše fyzikálne pracoviská.

Potešenie pre autorov

Do akej miery bola náročná práca, za ktorú vedci zíkavajú Nobelovu cenu? Doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc. vysvetľuje, že tohtoročná Nobelova cena bola udelená za tri série prác. „Do prvej série patria práce o tzv. prechode Kosterlitza-Thoulessa. Tieto práce sa týkali správania jednej triedy tzv. dvojrozmerných magnetov, t. j. magnetov s elementárnymi magnetkami rozloženými v rovine. Práce boli motivované zdanlivým rozporom medzi matematicky presným tvrdením o nemožnosti usporiadania magnetiek a výsledkami počítačových simulácií, ktoré naznačovali, že v systéme napriek tomu pri znižovaní teploty existuje fázový prechod. Kosterlitz a Thouless tento zdanlivý rozpor vyriešili postulovaním nového, topologického mechanizmu prechodu. K uskutočneniu objavu teda bolo potrebné zobrať vážne výsledky počítačových simulácií, ale najmä prísť s inovatívnym riešením paradoxu. Keby autori nevybočili zo zabehaných spôsobov uvažovania, problém by nikdy nevyriešili.“

Druhá séria prác sa podľa neho týkala správania jednorozmerných retiazok kvantových magnetiek. „Podľa kvantovej mechaniky môžu mať takéto magnetky (keď ich meriame vo vhodných jednotkách) buď celočíselnú, alebo poločíselnú hodnotu. Haldane v tejto sérii prác prišiel s hypotézou, že správanie magnetiek je odlišné pre celočíselné a poločíselné hodnoty. Urobil tak v čase, kedy sa všeobecne verilo, že všetky magnetky sa správajú rovnako a nič nenaznačovalo opak. Jeho originálne argumenty boli založené na topologických úvahách, ale v čase vzniku boli kontroverzné. Neskoršie práce iných teoretikov a najmä nedávne experimenty však potvrdili správnosť Haldaneovej hypotézy.“

No a do tretice, „posledná séria prác bola motivovaná experimentálnym objavom kvantového Hallovho javu, ktorý umožnil pomocou (v princípe) jednoduchého merania odporu určiť s presnosťou na 9 desatinných miest istú kombináciu fundamentálnych fyzikálnych konštánt,“ vysvetlil doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc. „Takáto presnosť merania je však mimoriadne neobvyklá, najmä ak si uvedomíme, že sa bavíme o meraní odporu súčiastky, ktorá má zaručene veľa defektov. Bolo preto zrejmé, že vysvetlenie pozorovanej extrémnej presnosti musí byť veľmi robustné. Presne také vysvetlenie navrhol Thouless so splupracovníkmi, opäť na základe topologických úvah. Haldane na tieto práce nadviazal a ukázal, že k podobným efektom ako pri kvantovom Hallovom jave (t. j. v magnetickom poli) môže dochádzať aj v tuhých látkach bez zvonka naloženého magnetického poľa. Tým vlastne položil základy fyziky topologických izolantov, ktorá v súčasnosti prežíva búrlivý rast.“

Všetky tri série prác teda boli založené na vysoko originálnych nápadoch, konštatuje náš fyzik. „Aby som sa však vrátil k otázke, myslím si, že rozpracovanie týchto nápadov nebolo utrpením, ale skôr intelektuálnym potešením pre autorov.“

Výskumná práca, na ktorú sa zamerali laureáti Nobelovej ceny, bude mať podľa doc. RNDr. Richarda Hlubinu, DrSc. prínos v blízkej aj vzdialenejšej budúcnosti. „Tradičná klasifikácia látok z hľadiska vodivostných vlastností rozoznávala kovy, polovodiče a izolanty. Táto klasifikácia vychádzala z obsadenia energetických hladín elektrónov hlboko vnútri materiálov. Kvantový Hallov jav však ukázal, že môžu existovať aj také materiály, ktoré sú hlboko vnútri nevodivé, ale na ich povrchu existujú dokonale vodivé stavy. Podobná situácia sa realizuje v celej triede materiálov, tzv. topologických izolantoch. Očakáva sa, že ďalšie štúdium týchto materiálov povedie k novým hlbokým teoretickým výsledkom, ale aj k potenciálnym aplikáciám v elektronike a kvantovej informatike,“ dodáva náš vedec.

Bolo by možné v niečom podobnom spolupracovať aj tu u nás na Slovensku? Doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc. si myslí, že výhodou výskumu v oblasti fyziky tuhých látok oproti ostatným lepšie medializovaným fyzikálnym disciplínam je, že je relatívne lacný. „Ako ukazuje príklad tohtoročných laureátov Nobelovej ceny, k špičkovým výsledkom sa možno dopracovať aj v malých kolektívoch – podstatný je dobrý nápad.“

ilustračné foto

Viacero tímov

Pripomenul, že na ocenených témach na Slovensku v súčasnosti pracuje niekoľko skupín. Pravdepodobne najvýznamnejší výsledok dosiahli podľa neho pracovníci Ústavu experimentálnej fyziky (UEF) SAV v Košiciach, ktorí sa dlhodobo zaujímajú o fyzikálne vlastnosti boridov. „Okrem iného pred časom skúmali aj hexaborid samária. Ukázali, že hoci vnútro tohto materiálu je pravdepodobne izolant, pri znižovaní teploty jeho odpor nerastie nad všetky medze. Takéto správanie nezapadá do štandardných predstáv, ale dalo by sa vysvetliť, ak by hexaborid samária bol topologickým izolantom. V súčasnosti na overení tejto predstavy pracuje množstvo špičkových laboratórií vo svete.“

Úzko súvisiacou horúcou témou je podľa neho aj štúdium tzv. topologických supravodičov, v ktorých sú objektom záujmu (podobne ako v topologických izolantoch) vlastnosti povrchov.

Ako vysvetlil náš významný fyzik touto témou sa na Slovensku začínajú zaoberať dve pracoviská s dlhoročnou tradíciou vo výskume supratekutosti a supravodivosti – UEF v Košiciach a Fakulta matematiky, fyziky a informatiky (FMFI) Univerzity Komenského v Bratislave. „Ocenené práce Haldanea sú súčasťou širšej oblasti výskumu, tzv. kvantového magnetizmu v nízkorozmerných systémoch. Ako experimentálnemu, tak aj teoretickému štúdiu tejto tematiky sa dlhodobo venujú fyzici a chemici na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach. Významné výsledky v tejto oblasti dosiahli aj teoretici na Fyzikálnom ústave SAV v Bratislave. Napokon, čo sa týka prechodu Kosterlitza – Thoulessa, ten už vošiel do učebníc a napríklad na FMFI o ňom prednášame študentom magisterského štúdia. Front poznania sa za viac než 40 rokov od pôvodnej práce posunul k aplikáciám mechanizmu Kosterlitza-Thoulessa na iné, zložitejšie fyzikálne systémy,“ uzavrel doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc. a dodal, že podobným témam sa pred časom venoval aj on so študentmi Jakubom Imriškom a Martinom Dianom.

Vedeli ste, že...?

110 Nobelových cien za fyziku bolo udelených v rokoch 1901 – 2016.

47 cien za fyziku bolo odovzdaných jednému laureátovi.

2 ženy boli ocenené v tejto kategórii.

1 osoba, John Bardeen, bola ocenená dva krát.

25 rokov bol dosiaľ vek najmladšieho laureáta, Lawrence Bragg, ocenený v roku 1915 spoločne s jeho otcom.

55 je priemerný vek laureátov Nobelovej ceny za fyziku.

 

Slávnostné odozdanie tohoročnej Nobelovej ceny za fyziku prebehne 10. decembra 2016 vo švédskom hlavnom meste Štokholme, na výročie úmrtia Alfreda Nobela (1833 – 1896), jedného z najvýznamnejších vedcov 19. storočia, vynálezcu dynamitu. Prvé Nobelove ceny boli udelené v deň piateho výročia jeho smrti 10. decembra 1901.

 

Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR

Zdroj: http://www.kva.se/en/pressroom/2016/the-nobel-prize-in-physics-2016/

komentár doc. RNDr. Richard Hlubina, DrSc.

Ilustračné foto: Pixabay.com

Uverejnila: ZVČ

Súvisiace:

Hore
Aurelium - centrum vedy
TVT 2019
Veda v Centre
Prechod VK na VND - jeseň
kúpa časopisov jún 2016
Publikácie Veda v CENTRE
TVT 2019
QUARK
Bratislavská vedecká cukráreň
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Extrapolácie 2019
Zaujímavosti vo vede
Krásna nová galaxia žiari jasnejšie ako 300 biliónov sĺnk.
Zistite viac