Фазовые переходы через топологические дырки

Дункан Холдейн. Фото Reuters

Премию этого года по физике нобелевские судьи дали «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Премию получили Майкл Костерлиц, Дункан Холдейн и Дэвид Таулесс. Первый родился в 1942 году в шотландском Абердине и уже в 27-летнем возрасте удостоился докторской степени в Оксфорде, после чего перебрался в Америку. Там он и по сей день является профессором университета Брауна в г. Провиденс.

Дункан Холдейн – самый молодой из нынешних лауреатов по физике. Он родился в 1952 году в Лондоне и в те же 27 лет получил степень доктора в Кембридже, подтвердив, что Оксбридж – главный образовательный тандем Великобритании.

Дэвид Таулесс, которому досталась половина премиальной суммы, появился на свет в 1934 году в английском Берсдене. Степень доктора получил в 24 года в Корнеллском университете г. Итаки, штат Нью-Йорк (вполне возможно, что застал там преподававшего русскую литературу Владимира Набокова). Таулесс сейчас – профессор университета им. Вашингтона в Сиэтле, а Холдейн – в Принстоне, где когда-то пытался создать единую теорию поля Альберт Эйнштейн.

Награда присуждена трем теоретикам-экспериментаторам, давшим объяснение проблемам, накопившимся за последние полвека в физике твердого тела, и многочисленным опытам в области фазовых переходов в двухмерных и линейных одномерных структурах. Классическая физика знает пять фазовых состояний вещества: плазма, в которой электроны «оторваны» от атомных ядер; газ, жидкость и твердые, или конденсированные тела, например металлы (в них электроны, особенно на поверхности).

Дэвид Таулесс. Фото с официального сайта Нобелевского комитета

Вблизи абсолютного нуля температур (–273 градуса по Цельсию; 0 градусов по Кельвину) атомы настолько «заторможены», что конденсируются до степени, когда начинаются проявления общего поведения. Теорию такого состояния разработали совместно индиец Бозе, в честь которого названы элементарные частицы бозоны, и Эйнштейн, в честь которых это фазовое состояние получило название «конденсат Бозе–Эйнштейна» (ВЕС – Bose-Einstein Condensat).

Сверхпроводимость была открыта более века назад, а Петр Капица (Нобелевская премия по физике 1978 года) выявил у гелия сверхтекучесть. Но помимо этого был открыт еще и долго не поддававшийся объяснению эффект Холла. Он заключается в том, что при охлаждении и при наличии сильного магнитного поля ток увеличивается не плавно, а скачкообразно.

В начале 1970-х Костерлиц и Таулесс теоретически объяснили фазовый переход в охлажденных до нескольких градусов Кельвина сверхпроводящих супержидкостях топологическими дефектами (то есть особенностями 3D-геометрии). Им поначалу никто не поверил, но через 10 лет Таулесс скооперировался с Холдейном, и они вместе разработали теорию перехода фаз в веществах.

Майкл Костерлиц. Фото Reuters

Таулесс обратил внимание на скачкообразность проведения тока, который согласно эффекту Холла увеличивался в два и три раза – в полном соответствии с появлением топологических дырок. Холдейн затем доказал, что эффект можно получить и без магнитного поля. Он обратил внимание коллег на так называемые цепочки магнитных атомов, то есть свел ситуацию от тончайших 2D-пленок к одномерности. И лишь в 2014 году экспериментаторы доказали его правоту. Все трое ученых говорили и писали, что предсказанные и объясненные ими топологические переходы фаз имеют место на границах пленок и концах атомных цепочек, в чем проявляется половинная природа бозонных спинов.

Интерес Нобелевского комитета к теории топологических фазовых переходов объясняется последними достижениями в наноминиатюризации при разработке новых материалов для новейших чипов. В настоящее время толщина транзисторных слоев уже приближается к 14 нанометрам (нм). Однако сечение монослойных пленок измеряется 4 нм, что приближает их к биологическим мембранам. Понимание квантовой физики в таких пленках – не забудем также и о графене, представляющем собой монослой углеродных атомов, – открывает новые перспективы развития солнечной и водородной энергетики, создания сверхчувствительных биосенсоров и нанопроволочных устройств, овладения высокотемпературной сверхпроводимостью и, в перспективе, квантовых компьютеров, которые нельзя будет хакнуть и подслушать.

Отсюда понятно, почему премию этого года дали не за прошлогоднее открытие «бесполезных» гравитационных волн, а за доказавшую свою коммерческую привлекательность теорию топологических фазовых переходов. Впрочем, у первооткрывателей все еще впереди: Нобелевский комитет любит, чтобы открытие «отстоялось». 

Недаром сэр Андрей Гейм, открывший с Константином Новоселовым графен, сказал в адрес новых коллег – нобелевских лауреатов: «Я не знаю ни одного нобелевского лауреата, для которого монетарный аспект этой награды достоин даже малейшего упоминания, однако мало кто продал бы свою душу ради получения этой премии».