iPon Cikkek

Örvények, csészék és a felületfizika

Dátum | 2016. 10. 06.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Az idei fizikai Nobel-díjat három olyan kutató kapta, akik az anyag szokatlan állapotait tanulmányozzák. David J. Thouless (Washington Egyetem), F. Duncan M. Haldane (Princeton Egyetem) és J. Michael Kosterlitz (Brown Egyetem) felfedezései alapvetően változtatták meg az anyagról alkotott korábbi képet, és eredményeik révén új lehetőségek nyíltak meg az anyaggyártás területén is. Thouless, Haldane és Kosterlitz fejlett matematikai módszerek révén, topológiai eszközökkel írták le az anyag olyan szokatlan állapotait, mint a szupravezetés, a szuperfolyékonyság vagy mágneses vékonyfilmek viselkedése. Kosterlitz és Thouless a felületfizika jelenségeit kutatták pályájuk során, vagyis olyan felületeket vagy rendkívül vékony rétegeket vizsgáltak, amelyek az általuk tanulmányozott jelenségek szempontjából kétdimenziós térként viselkednek. Haldane pedig olyan anyagokat vizsgált, amelyek annyira vékony szálakat alkotnak, hogy egydimenziósnak tekinthetők. A felületek fizikája nagyon eltérő attól, amit magunk körül megszoktunk. Egy vékony atomi réteg rengeteg atomból áll, amelyek együttes viselkedése nem feltétlenül érthető meg az egy-egy atomra vonatkozó kvantumfizikai jellemzők alapján. Ezek a felületek újabb és újabb érdekes kollektív viselkedésmódokat tárnak fel.
Míg a makroszinten és normál hőmérsékleten megszokott halmazállapotokban (gáz, folyadék, szilárd) a kvantumhatások gyakran rejtve maradnak, ha eltérünk a hétköznapokban megszokott mutatóktól, az anyag ezen hatások eredményeként furcsa állapotokba kerülhet és váratlanul kezdhet viselkedni. Extrém hideg hőmérsékletek mellett a kvantumfizika, amely normális esetben csak mikroszinten érvényesül, makroszinten is láthatóvá válik. A hidegben tehát furcsa dolgok történhetnek meg, megszűnhet például a normál körülmények között csaknem minden részecskére ható ellenállás, és az elektronok szabadon áramolhatnak (szupravezetés), az örvények pedig sosem lassulnak le (szuperfolyékonyság). A szuperfolyékony, azaz súrlódásmentes, nulla viszkozitású anyagokat szisztematikusan először Pjotr Leonyidovics Kapica tanulmányozta az 1930-as években. A szovjet atomfizikus, aki 1978-ban Nobel-díjat kapott eredményeiért, héliumot hűtött le mínusz 271 °C-ra, és a folyadék „felmászott” az edény függőleges falaira. Azóta számos különböző szuperfolyadékot hoztak létre a szakértők a világ laborjaiban, és emellett persze számos másfajta szempontból ellenállásmentes anyag (szupravezetők, elektromosan vezető nanoszálak stb.) is megalkotásra került. A szakértők sokáig azt hitték, hogy egy kétdimenziós világban nincsenek fázisváltások (vagy halmazállapot-váltások), mert a hőmérsékleti ingadozások még abszolút nulla fokon is megsemmisítenek minden rendszerűséget a részecskék között. Ha pedig nincsenek rendezett fázisok, fázisátmenet sem lehetséges, ami a szupravezetés és a szuperfolyékonyság lehetőségét is kizárta volna a vékonyfilmekben.
Az 1970-es években ezt a teóriát kérdőjelezte, majd cáfolta meg Thouless és Kosterlitz, akik Birminghamben kezdtek együtt dolgozni. Együttműködésük eredményeként teljesen átformálódott a fázisátmenetekről alkotott korábbi kép, és megszületett a kondenzált anyagok fizikájának legfontosabb elméleti felfedezése, a (Berezinszkij–)Kosterlitz–Thouless-átmenet (KT-átmenet vagy BKT-átmenet). Az általuk leírt topológiai fázisátmenetet nem úgy kell elképzelni, mint a környezetünkben megszokott fázisváltásokat, például a jég vízzé válását. Az említett topológiai átmenetben apró örvények játsszák a főszerepet, amelyek alacsony hőmérsékleten szoros párokat képeznek az anyagban. Amikor a hőmérséklet emelkedni kezd, és megtörténik a fázisváltás, ezek a párok felbomlanak, és az örvények önálló mozgásba kezdenek. Ebben az elméletben az a rendkívül elegáns, hogy mindenféle alacsony dimenziójú anyagra alkalmazható. Az egy- vagy kétdimenziósnak tekinthető anyagokban tehát a KT-átmenet univerzális, így a teória a kondenzált anyagok fizikájának művelőin túl hasznos eszközzé vált az atomfizika vagy a statisztikus mechanika szakértői számára is. A felületek fizikájával kapcsolatos kísérletek során idővel egy sor új anyagfázis létezésére derült fény, amelyek újabb magyarázatra szorultak. Az 1980-as években Thouless és Haldane is úttörő elméletekkel állt elő ezekkel kapcsolatban, amelyek megingatták az elektromos vezetőképesség kvantummechanikai teóriáját. Ez utóbbi az 1930-as években került kidolgozásra, és nyolcvanas évekre úgy tűnt, hogy a fizika ezen része tökéletesen érthető a szakértők előtt.
Ezért is okozott nagy meglepetést, amikor 1982-ben Thouless igazolta, hogy a korábbi kép közel sem teljes, és alacsony hőmérsékleten, illetve erős mágneses terekben egy újfajta elméletre van szükség. Ezen új teória szintén topológiai koncepciókon alapult. Thouless-szel nagyjából egy időben Haldane is hasonló következtetésekre jutott az elektromosság kvantummechanikai elméletének hiányosságaival kapcsolatban. Ő mágneses atomláncok tanulmányozása közben azonosította a problémát. A Thouless által topológiai módszerekkel leírt rejtélyes jelenség az úgynevezett kvantum Hall-effektus volt. Ezt 1980-ban fedezte fel Klaus von Klitzing, aki 1985-ben kapott Nobel-díjat. A német fizikus egy két félvezető közötti vékony vezetőréteget vizsgált, amelyben az elektronokat néhány fokkal abszolút nulla fok fölötti hőmérsékletre hűtötte, és erős mágneses térbe helyezte. A fizikában ne számít szokatlannak, hogy a hőmérséklet csökkentésével drasztikus változások mennek végbe, például számos anyag mágnesessé válik ilyenkor. Ez azért történik meg, mert az anyagban található atomi mágnesek hirtelen mind egy irányba rendeződnek, erős, mérhető mágneses teret hozva létre. A kvantum Hall-effektus ennél jóval bonyolultabb: a von Klitzing által vizsgált réteg elektromos ellenállása meglepő módon csak bizonyos precíz értékeket vett fel, amit a későbbi, más hőmérsékleten, más erejű mágneses térben és más félvezetővel végzett hasonló kísérletek is megerősítettek. Amikor a mágneses tér kellően megváltozik, a réteg ellenállása is megváltozik, de mindez nem folyamatosan, hanem jól meghatározott lépésekben zajlik. A mágneses tér erősségének csökkentésével az elektromos ellenállás először duplája lesz az első értéknek, majd triplája, négyszerese, és így tovább. Ezeket diszkrét lépéseket az elfogadott elméletekkel nem lehetett megmagyarázni, ezért volt szükség Thouless új, topológiai teóriájára.
A topológia olyan jellemzők leírására szolgál, amelyek nem változnak, ha egy tárgy megnyúlik, megcsavarodik vagy máshogy deformálódik. Topológiai szempontból ezért egy gömb és egy tál egyazon kategóriába esik, egy közepén lyukas fánk és egy füles kávéscsésze pedig egy másik kategóriát alkot. A topológiai objektumokat tehát a rajtuk található lyukak száma különíti el egymástól, amely szintén csak egész lehet, hasonlóan az ellenállás változásának mértékéhez a kvantum Hall-effektus során. A kvantum Hall-effektus közben az elektronok relatíve szabadon mozognak a félvezető-rétegek között, és úgynevezett topologikus kvantumfolyadékot alkotnak, állítja Thouless. Ahogy sok más esetben új tulajdonságok jelentkeznek, amikor több részecske kerül egymás mellé, a kvantumfolyadék elektronjai is váratlan jellemzőkre tesznek szert. És ahogy nem lehet megállapítani, hogy kávéscsészén hány lyuk van, ha annak csak egy kis darabját tanulmányozzuk, a topologikus kvantumfolyadék jellemzői sem állapíthatók meg annak néhány elemének vizsgálatával. Az elektromos ellenállás mértéke azonban az elektronok kollektív mozgásáról árul el valamit, és mivel topológiai rendszerről van szó, ez az érték csak diszkrét lépésekben változhat. A topologikus kvantumfolyadékok egy másik jellemzője, amelyet azóta kísérletileg is igazoltak, hogy a folyadék határai szokatlan, nagyon jellegzetes tulajdonságokat hordoznak. A területen újabb előrelépés történt, amikor Haldane 1988-ban elméleti szinten igazolta, hogy topologikus kvantumfolyadékok akkor is létrejöhetnek a félvezetők között, ha nincs mágneses tér.
Thors Hans Hansson, a Nobel-bizottság egyik tagja péksütemények segítségével magyarázza a topológia alapjait
Haldane még 1983-ban egy másik meglepő kijelentéssel is előállt. Elméleti szinten megmutatta, hogy a bizonyos anyagokban jelenlevő mágneses atomláncok alapvetően eltérő tulajdonságokat hordozhatnak az őket alkotó atomi mágnesek jellemzőitől függően. A kvantumfizikában kétféle atomi mágnes létezik, a páros és a páratlan. Haldane demonstrálta, hogy a páros mágnesekből álló atomláncok topologikusan viselkednek, a páratlanokból állók azonban nem. Ahogy a topologikus folyadékoknál, az atomláncok esetében sem lehetséges a lánc egy kis részének vizsgálata alapján eldönteni, hogy az topologikus-e. És ahogy az említett folyadékoknál, a láncok esetében is ezek szélén, jelen esetben végén fedik fel magukat a topológiai jellemzők, itt ugyanis a spin feleződik. Elsőre senki nem hitte el Haldane eredményeit, mivel a kutatók meg voltak győződve arról, hogy mindent tudnak az atomláncokról. Aztán kiderült, hogy a szakértő valóban a topologikus anyagok egy új típusát fedezte fel, amelyet azóta is intenzíven kutatnak a kondenzált anyagokkal foglalkozó fizikusok. Az azóta eltelt években több más topológiai anyagállapot felfedezésére is sor került, amelyek közt nemcsak láncokat és vékonyrétegeket, de háromdimenziós matériákat is találni. A topologikus szigetelők, szupravezetők és fémek napjainkban a fizikai kutatások egy nagyon élő, izgalmas területét jelentik, amelyek furcsaságaikon túl azzal is kecsegtetnek, hogy használatuk révén újfajta elektronikus rendszerek lehetnek létrehozhatók, és egy napon talán kvantumszámítógépek is épülhetnek ezekből. Mindez pedig sosem lenne lehetséges a három új Nobel-díjas felületfizikai munkássága nélkül.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

4. Deszka
2016.10.06. 16:48
Elképesztő. Az ilyen cikkek olvasásakor mindig elcsodálkozom, hogy micsoda komplex rendszer vesz körül minket. Sajnálom, hogy nekem nem adatik meg részt venni az ehhez hasonló kutatásokban...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. ny
2016.10.07. 02:41
> Ahogy a topologikus folyadékoknál, az atomláncok esetében sem lehetséges a lánc egy kis részének vizsgálata alapján eldönteni, hogy az topologikus-e. És ahogy az említett folyadékoknál, a láncok esetében is ezek szélén, jelen esetben végén fedik fel magukat a topológiai jellemzők, itt ugyanis a spin feleződik.

Nocsak, lecserélték a "holografikus" szót "topologikus"-ra.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. dzsuz87 ny
2016.10.07. 21:14
Ezt kifejthetnéd bővebben, mert nem látom így semmi értelmét.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2016.10.09. 17:50
Összezagyváltam a fejemben, a topologikus az olyan tulajdonság ami nem állapítható meg a tér nagyjából semmilyen nem egész részhalmazából sem (például hogy egy szalag sima vagy Möbius), a hologram meg ennek az ellenkezője, hogy tetszőleges kis részéből megállapítható minden.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!