David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz - jak wyglądała ich droga do Nobla?

Posłuchaj

Znamy noblistów w dziedzinie fizyki. Relacja Sylwii Białek (IAR)

Dodaj do playlisty

Dodaj do playlisty

Aby wyjaśnić osobliwe zjawiska związane ze światem faz materii i przejść fazowych, David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz skorzystali z metod matematycznych, z topologii.

Topologia to ważny dział matematyki zajmujący się badaniem własności, które nie ulegają zmianie nawet po radykalnym zdeformowaniu obiektów, takich jak figury geometryczne, bryły i obiekty o większej liczbie wymiarów.

Stosując zaawansowane metody matematyczne tegoroczni laureaci analizowali osobliwe stany materii - nadprzewodniki przewodzące prąd elektryczny bez oporu, superciecze pozbawione lepkości oraz cienkie warstwy magnetyczne.

Kosterlitz i Thouless badali zjawiska obecne w "płaskim" świecie: na powierzchniach albo wewnątrz warstw tak cienkich, że można je uznać za dwuwymiarowe w porównaniu z trójwymiarowymi (które mają długość, szerokość i grubość), i z jakimi stykamy się na co dzień.

Haldane badał również materię, która tworzy nici tak cienkie, że można je uznawać za jednowymiarowe.

W latach 80. Thouless i Haldane zaprezentowali przełomowe prace teoretyczne, które zakwestionowały dotychczasowe teorie dotyczące tego, jakie materiały mogą przewodzić prąd elektryczny.

Thouless używając topologii opisał kwantowy efekt Halla – zmiany oporu zachodzące w cienkich przewodzących warstwach umieszczonych pomiędzy dwiema warstwami półprzewodnika w bardzo silnym polu magnetycznym i przy temperaturze w pobliżu zera bezwzględnego.

Okazało się, że zmiany te mogą przyjmować tylko ściśle określone, całkowite wartości (1, 2, 3…), bez stanów pośrednich.

Topologia okazała się właściwym kluczem do wyjaśnienia tej zagadki - elektrony w warstwie przewodzącej pomiędzy warstwami półprzewodnika poruszają się swobodnie, tworząc tzw. topologiczną ciecz kwantową. Zmiany oporu są właśnie kwantowe - zachodzą stopniowo, a nie w sposób ciągły.

Kolejne teoretyczne odkrycie miało miejsce w roku 1988, gdy Haldane odkrył, że topologiczne ciecze kwantowe (takie jak ta związana z kwantowym efektem Halla) mogą tworzyć się w cienkich warstwach półprzewodnika nawet bez obecności pola magnetycznego.

W roku 2014 udało się potwierdzić eksperymentalnie wyniki Haldane'a, badając zachowanie atomów schłodzonych niemal do temperatury zera bezwzględnego.

***

David James Thouless, fizyk zajmujący się materią skondensowaną, po ukończeniu Winchester College kształcił się w college'u Trinity Hall na brytyjskim Cambridge University, gdzie w 1955 roku uzyskał licencjat.

Następnie przez cztery lata prowadził badania nad materią jądrową pod kierunkiem Hansa Bethe na Cornell University, na którym w 1958 roku uzyskał tytuł doktorski.

Po kilku latach spędzonych na University of California w Berkeley, pracował (w latach 1965-1978) jako profesor fizyki matematycznej na brytyjskim Birmingham University. Tam współpracował z drugim tegorocznym noblistą z fizyki Kosterlitzem.

Od roku 1980 jest profesorem (obecnie emerytowanym) fizyki na University of Washington w Seattle.

Fot. PAP/EPA/TRINITY HALL

***

Frederick Duncan Michael Haldane urodził się w Londynie 14 września 1951 roku.

Studiował na uniwersytecie w Cambridge, gdzie w roku 1978 zrobił doktorat. W latach 1977-1981 pracował w Institut Laue-Langevin w Grenoble, 1981-1985 był starszym wykładowcą fizyki University of Southern California.

Później przez dwa lata (1985-1987) pracował w słynnych Bell Laboratories, by następnie - już jako profesor fizyki przenieść się do University of California w San Diego (1987-1990).

Od roku 1990 jest profesorem fizyki Princeton University. Przez dziewięć lat (1990-1999) był też związany z Aspen Center for Physics.

Fot. PAP/EPA/DENISE APPLEWHITE

***

Michael Kosterlitz jest absolwentem Cambridge University i Oxford University, gdzie w 1969 roku zrobił doktorat z fizyki cząstek elementarnych (fizyki wysokich energii).

Prowadził również badania w Instituto di Fisica Teorica we włoskim Torino, a także na Cornell University, Princeton University, Bell Telephone Laboratories i Harvard University. Pracował na Wydziale Fizyki Matematycznej University of Birmingham, gdzie współpracował z drugim noblistą - Thoulessem.

Od 34 lat Kosterlitz jest profesorem fizyki na amerykańskim Brown University w Providence (Rhode Island, USA).

Kosterlitz poproszony przez agencję AP o skomentowanie przyznania mu nagrody, powiedział: "To był kawał roboty, którą wykonałem jako naprawdę głupi post-doc (doktor odbywający staż podoktorski)".

Fot. PAP/EPA/MARKKU OJALA

PAP, IAR, kk