Fizikai Nobel-díj – 2016

Fotó: Profimedia

A Washingtoni, a Princeton és a Brown Egyetem munkatársa az anyag szokatlan állapotainak tanulmányozásával: a topológiai fázisátalakulással és az anyag topológiai fázisaival kapcsolatos felfedezéseiért érdemelte ki az elismerést.

Óriási eredmény, hogy a matematikai topológia módszereinek alkalmazásával képesek voltak a megmagyarázni az anyag különleges fázisainak – szupravezetők, szuperfolyadékok, igen vékony mágneses filmek – meglepő tulajdonságait, és ezzel egy teljesen új kutatási irányt nyitottak a kondenzált anyagok fizikájában. Fejlett matematikai módszereket alkalmazva tanulmányozták ezeket az állapotokat, például a szupravezető és a szuperfolyékony fázisokat vagy a mágneses vékonyréteget. Úttörő munkájuknak köszönhetően kereshetővé váltak az anyag új, egzotikus állapotai.

A topológia a matematika egyik igen elvont ága, amely az alakzatok, folytonos deformációk közben is megmaradó, azaz invariáns tulajdonságaival foglalkozik. A topologikus tulajdonságok azok, amelyek sértetlenek maradnak szakadásmentes széthúzás, csavarás és deformáció során, illetve csak egész számok többszöröseként, ugrásszerűen, azaz nem folytonosan tudnak változni.

„Az a világ, amelyet szobahőmérsékleten látunk, amely körülvesz minket, egy olyan világ, amelynek a valódi kvantumos tulajdonságát elfedi a hőmérséklet. Azaz nem látjuk, hogy a világban semmi sem folytonosan, hanem minden ugrásszerűen (kvantumosan) változik. Ez akkor válik láthatóvá, amikor nagyon alacsony hőmérsékletre hűtünk valamit. Ezt kísérleti berendezésekkel tudjuk elérni” – fejtette ki Legeza Örs fizikus, a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) Wigner Fizikai Kutatóközpontjának munkatársa, majd hozzátette, hogy alacsony hőmérsékleten másképp viselkedik az anyag, és olyan tulajdonságai vannak, amelyeket „szeretnénk kihasználni a minket körülvevő világ szobahőmérsékleti szintjén is, illetve az egyre kisebb méretskálákon megvalósuló – például számítógépes – eszközök esetében is”. Mint mondta, mindenki azon dolgozik a fizikában, hogy ezeket a folyamatokat minél magasabb hőmérsékleten is meg tudják valósítani, illetve stabilak maradjanak.

Michael Kosterlitz és David Thouless az 1970-es évek elején megdöntötte az akkor kurrens elméletet, mi szerint vékony rétegekben is kialakulhat szupravezetés és szuperfolyékonyság, és képesek voltak magyarázni azt a melegítés során végbemenő folyamatot (fázisátmenetet) is, amelynek során az anyag elveszti e különleges tulajdonságait.

Az 1980-as években Thouless kimutatta, hogy egy korábbi, nagyon vékony elektromos vezető rétegekkel végzett kísérletben mért változások topológiaiak voltak. Ezzel nagyjából egy időben Duncan Haldane felfedezte, hogy a topológiai fogalmak miként használhatók a bizonyos anyagokban lévő parányi mágnesláncok tulajdonságainak megértéséhez.

Ma már ismert, hogy sok topológiai fázis létezik, nemcsak a vékonyrétegekben és a szálakban, hanem hagyományos háromdimenziós anyagokban is. Legeza Örs hangsúlyozta, hogy Duncan Haldane, Michael Kosterlitz és David Thouless munkásságuknak köszönhetően a mai modern fizika fókuszában áll az új, egzotikus – úgynevezett topologikus – fázisok kutatása, és ezektől reméli a szakma a jövőben újgenerációs elektronikai eszközök, szupravezetők, illetve a kvantumos számítógépek gyakorlati megvalósítását. „A számítógépes iparban például mindent egyre kisebb méretskálán próbálnak megvalósítani, de elértük azt a méretskálát, amikor a klasszikus fizika már nem használható, és a kvantumos világ tulajdonságait kell figyelembe venni” – magyarázza a fizikus.

Arra a felvetésre, hogy tulajdonképpen évtizedekkel ezelőtti elméleti kutatásokért ítélték most oda a Nobel-díjat, Legeza Örs azt válaszolta: az alapkutatásokra sokan mondják, hogy „porosodó iratokat gyártó munka”, viszont sosem lehet tudni, hogy mikor valósul meg egy olyan kísérleti eszköz, amely életre kelti az elméleti kutatásokat. A díjazottak esetében is ez történt: a David Thouless által megjósolt viselkedés 1980-ban kvantumos Hall-effektus néven vált ismertté, míg Duncan Haldane olyan rácsok vizsgálatával foglalkozott, melyeket napjainkban az úgynevezett ultrahidegatom-kísérletekkel létre tudnak hozni. Ez utóbbi esetben nagyon hideg hőmérsékleten az atomokat le tudják úgy hűteni és lokalizálni egy lézernyaláb segítségével, hogy optikai rácsokat alkossanak.

A kitüntetettek összességében az anyag viselkedésének teljesen váratlan szabályszerűségeit fedezték fel, ami kikövezte az utat az újfajta tulajdonsággal bíró, új anyagok megalkotása előtt. Ez sok jövőbeni technológiához lehet fontos.

A kitüntetettek 8 millió svéd koronát (257 millió Ft) kaptak a díjjal, ennek felét a 82 éves Thouless kapja, a másik felén 65 éves Haldane és az 1942-es születésű Kosterlitz osztozik. A díjátadó ünnepséget hagyományosan december 10-én, az elismerést alapító Alfred Nobel halálának évfordulóján rendezik.