Nobelove nagrade 2016: Kako je krofna postala đevrek?

Nobelovu nagradu za fiziku 2016. podelili su Dejvid Taules, Dankan Holdejn i Majkl Kosterlic za otkrića o faznim prelazima u takozvanim tankim slojevima, do kojih su došli primenom topologije

Nobelove nagrade 2016: Kako je krofna postala đevrek? Foto: Profimedia

Ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziku dobili su britanski fizičari Dejvid Taules, Dankan Holdejn i Majkl Kosterlic, za teorijska otkrića takozvanih topoloških faznih prelaza, koji su u poslednjim decenijama XX veka izuzetno doprinela razumevanju egzotične fizike tankih slojeva.

O čemu je reč? Kakva egzotična stanja su proučavali ovogodišnji laureati?

Ako pogledamo atome vode u ledu, odnosno atome vode u čvrstom stanju, vidimo da su raspoređeni zbijeno, u kristalnu rešetku. Ako malo povećamo temperaturu molekuli će početi slobodnije da se kreću i voda će preći u tečno stanje. Ako nastavimo da zagrevamo vodu, ona prelazi u treće agregatno stanje i postaje gas, u kom se molekuli kreću daleko haotičnije.

Ponašanje čestica dobro je poznato u ovim stanjima, odnosno fazama. Prelazak iz jednog stanja u drugo zato nazivamo faznim prelazom. Međutim, u posebnim slučajevima, kada su temperature jako niske ili kada radimo sa materijalima čija je debljina samo jedan sloj atoma stvari postaju nešto komplikovanije, a mehanizmi faznih prelaza bitno drugačiji.

Kako osvojiti Nobelovu nagradu: 5 stvari koje bi trebalo da znate

Zahvaljujući pionirskom radu ovogodišnjih Nobelovaca Dejvida Taulesa, Dankana Holdejna i Majkla Kosterlica, danas bolje razumemo mehanizme koji u ovim slučajevima dovode do superprovodnosti i superfluidnosti. Njih trojica su u različitim radovima od početka osamdesetih godina prošlog veka pa nadalje dali teorijsku podlogu koja je kasnije eksperimentalno i pokazana.

Taules i Kostelic potpuno su preokrenuli tadašnje razumevanje faznih prelaza u tankim (približno jednoatomskim) slojevima materijala. Naime, do tada su naučnici pretpostavljali da temperaturne fluktuacije u ovakvim slojevima (koji se nalaze na jako niskim temperaturama) potpuno ponište svako uređenje čestica od kojih su napravljene.

Taules i Kostelic su odlučili da prouče fenomen iz topološke perspektive. Topologija je teorijska oblast matematike za koju su najvažniji prirodni brojevi, a sve promene se odvijaju skokovito. Ova dva nobelovca, koristeći topološke metode, pokazali su da su za fazne prelaze u ovakvim dvodimenzionim materijalima odgovorni takozvani vorteksi (vrtlozi).

Na niskim temperaturama vrtlozi se uvek javljaju u parovima jedan do drugog. Međutim sa povećanjem temperature oni počinju da se odvajaju.  To, ta okolnost, zapravo predstavlja – fazni prelaz. Jako važno za ove takozvane KT prelaze (Kostelic-Taules) jeste da su univerzalni, to jest ne zavise od materijala.

Zahvaljujući tome bilo je moguće teorijski objasniti postojanje superprovodnih sposobnosti materijala na jako niskim temperaturama. Nastavljajući se na ovaj teorijski rad, Dankan Holdejn je sa Taulesom dao teorijski kvantnomehanički metod za određivanje koji to materijali mogu provoditi naelektrisanje.

Saznajte i Kako primeniti zakone fizike u svakodnevnici? (VIDEO)

Tokom konferencije u Stokholmu, član Nobelovog komiteta Tors Hans Hanson,  pokušao je vrlo plastično da objasni koncept topologije. On je na prezentaciju doneo jednu krofnu, jedan đevrek i perecu. Ova tri peciva su za nas, naime, veoma različita – jedno je slatko, drugo slano, treće ima žitarice po sebi. Međutim, sa topološke strane oni se razlikuju samo po jednom parametru – krofna nema otvore, đevrek ima jedan, a pereca dva. I to je jedina razlika. Dakle sa topološkog stanovišta, lopta i činija, na primer, su ista stvar, jer oba nemaju otvore pa se jedna može transformisati u drugu. Lopta i obruč, s druge strane, ne spadaju u istu grupu.

Određene promene magnetnog polja ili temperature neće promeniti osobine materijala sa topološkog stanovišta, kao i kada bi krofnu razvlačili u palačinku. Međutim u određenom trenutku u toj palačinki bi nastala rupa, što je sa topološke strane novi nivo. Ova promena analogna je skoku provodnosti. Sada ponovo tu palačinku sa rupom možemo oblikovati u đevrek, obruč ili bilo šta drugo, ali je za topologe to sve isto dok se đevrek ponovo ne pocepa pa dobijemo perecu.

Upravo koristeći topologiju, Dejvid Taules je objasnio fenomen poznat kao Holov efekat. Rad trojice naučnika tokom godina dao je brojne rezultate, a među nekim od budućih primena pominju se topološki izolatori i topološki superprovodnici. Ovi materijali trebalo bi da poboljšaju karakteristike pre svega elektronskih komponenti i u mnogome unaprede kako računarsku tako i druge grane industrije. Još jedna od pomenutih primena ove teorije je u kvantnim računarima.

Izvor: Elementarijum



bonus video
ostavite komentar
Inicijalizacija u toku...