Нобелевская премия по физике за 2016 год была вручена за исследование вещества в необычных состояниях. Лауреатами премии названы физики Дэвид Таулесc из Университета Вашингтона, Данкан Халдейн из Принстона и Майкл Костерлиц из Университета Брауна, внесшие весомый вклад в развитие науки о топологических фазовых переходах. Все трое являются британцами по происхождению, но работают в США.
В сообщении комитета отмечается, что указанные ученые разработали продвинутые математические методы для описания необычных фаз и свойств материи, таких как сверхпроводники, сверхтекучие жидкости и магнитные пленки.
Работы ученых сделали возможным нынешние поиски необычных фаз вещества, которые ведут многие исследователи в мире.
Исследование найдет применение в электронике и естественных науках.
Топология — это раздел математики, который описывает свойства пространства, меняющиеся скачкообразно. Используя топологические методы как инструмент, исследователям удалось получить математическое описание скачкообразно меняющихся параметров в веществе.
В начале 1970-х Майкл Костерлиц и Дэвид Таулесс опровергли существующие на тот момент теории сверхпроводимости и сверхтекучести, которые утверждали, что эти явления могут происходить только в тонких слоях. Они показали, что сверхпроводимость возникает при низких температурах, и дали точное объяснение этому механизму на основе фазовых переходов.
Именно из-за этого перехода, как выяснилось, явление пропадает при более высоких температурах.
В 1980 году Таулесс объяснил предыдущий эксперимент с очень тонкими проводящими слоями, проводимость в которых менялась скачкообразно. Он показал, что эти дискретные значения хорошо описываются топологическими методами. В то же время Данкан Халдейн открыл, как топологические методы могут использоваться для понимания свойств малых магнитных цепей, обнаруженных в некоторых материалах.
Сегодня топологическое описание фазовых переходов используется не только в случае тонкого слоя, но и для обычных трехмерных материалов. За последнее десятилетие эта область была расширена многочисленными исследованиями, не в последнюю очередь потому, что топологические материалы могут быть использованы в сверхпроводниках, электронике нового поколения и квантовых компьютерах.
Ранее вероятными претендентами на получение премии по физике в этом году назывались создатели международной коллаборации LIGO,
благодаря которым были пойманы первые гравитационные волны.
О важности работ американских исследователей и русском следе в этих открытиях «Газете.Ru» рассказал профессор физического факультета МГУ, руководитель научной группы Российского квантового центра Алексей Рубцов.
«У Костерлица довольно старые, но очень известные работы, он был одним из тех, кто показал, что в системах типа двумерных сверхпроводников фазовые переходы имеют очень специфический характер и действительно связаны с топологическими особенностями, вихрями, которые рождаются парами вихрь–антивихрь, — рассказал Рубцов. — Речь идет о завихрениях параметра порядка (термодинамическая величина, характеризующая дальний порядок в среде. — «Газета.Ru») — там говорится о статистике процесса, однако это тот самый случай, когда все сделал русский. Все это описал Вадим Березинский, но написал он жутко непонятную статью».
По словам ученого, Костерлиц и Таулесс, прочитав перевод статьи советского ученого в журнале ЖЭТФ, объяснили этот процесс более понятным способом.
«Этот переход стал называться переходом Березинского — Костерлица — Таулесса. Бесспорно, в этой Нобелевской премии есть русский след, как и вообще в современной топологии, — пояснил профессор МГУ. — В вопросах фазовых переходов долгое время доминировала концепция Ландау, которая правильная и никуда не делась. Она гласит, что характеристика фазового перехода — это величина параметра порядка, которая обращается в ноль по одну сторону от фазового перехода и не равна нулю по другую сторону. Затем концепция сменилась, и стали говорить о возникновении топологических особенностей».
Развитие этой области физики привело к созданию и изучению новых классов веществ — популярных сегодня топологических изоляторов, о которых рассказывала «Газета.Ru».
Вадим Березинский (1935–1980) работал в Институте теоретической физики им. Л.Д. Ландау АН СССР. Он известен работами в области гидродинамики, физики твердого тела, физики элементарных частиц и гравитации.
Наиболее важные его работы относятся к теории фазовых переходов в двумерных системах и теории локализации в неупорядоченных одномерных проводниках. Им был предсказан ряд необычных физических свойств двумерных систем. Березинский впервые показал, что тонкая (порядка нескольких ангстрем) пленка жидкого гелия при низких температурах обладает свойством сверхтекучести.