Τρεις βρετανοί ερευνητές που εργάζονται στις ΗΠΑ θα μοιραστούν το φετινό Νόμπελ Φυσικής για τη μελέτη ασυνήθιστων καταστάσεων, ή φάσεων, της ύλης όπως οι υπεραγωγοί και τα υπερρευστά, ανακοίνωσε η επιτροπή των βραβείων στο Ινστιτούτο Καρολίνσκα της Στοκχόλμης.
Το μισό βραβείο θα απονεμηθεί στον Ντέιβιντ Θούλες, 82 ετών. και το υπόλοιπο μισό θα μοιραστεί εξ ημισείας στους Φ.Ντάνκαν Χάλντεϊν (65) και Τζ.Μάικλ Κόστερλιτζ (74) «για θεωρητικές μελέτες τοπολογικών μεταβάσεων φάσης και τοπολογικές φάσεις της ύλης».
Από αριστερά: Ντέιβιντ Θούλες, Ντάνκαν Χάλντεϊν και Μάικλ Κόστερλιτζ (Πηγή: N. Elmehed. © Nobel Media 2016)
Οι φάσεις, ή καταστάσεις, της ύλης που γνωρίζουμε στην καθημερινή ζωή είναι τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια. Όταν όμως η θερμοκρασία πέσει, ή τα υλικά παίρνουν τη μορφή λεπτών φιλμ, η ύλη μπορεί να περάσει σε εξωτικές φάσεις, στις οποίες αναδύονται και γίνονται εμφανείς οι κβαντικές ιδιότητες των ατόμων.
Παράδειγμα είναι τα υπεραγώγιμα υλικά, τα οποία αφήνουν το ηλεκτρικό ρεύμα να περνά χωρίς καθόλου αντίσταση όταν ψυχθούν κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Οι υπεραγωγοί βρίσκουν σήμερα ευρεία χρήση, όπως για παράδειγμα στους μαγνητικούς τομογράφους και τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN.
Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας ήταν μεν γνωστό, ωστόσο το έργο των τριών βραβευθέντων τις δεκαετίες του 1970 και ’80 προσέφερε νέες γνώσεις τόσο για τη συμπεριφορά των υπεραγώγιμων υλικών όσο και για άλλες εξωτικές καταστάσεις της ύλης όπως τα υπερρευστά -υγρά που χάνουν το ιξώδες τους σε χαμηλή θερμοκρασία και μπορούν έτσι να σκαρφαλώνουν τα τοιχώματα των δοχείων μέσα στα οποία βρίσκονται.
Και οι τρεις ερευνητές αξιοποίησαν τα εργαλεία της τοπολογίας, ενός κλάδου των μαθηματικών που περιγράφει τις γεωμετρικές ιδιότητες αντικειμένων όταν τεντώνονται ή παραμορφώνονται χωρίς να σπάνε. Η τοπολογία είναι ένας κλάδος των μαθηματικών ο οποίος περιγράφει ιδιότητες που αλλάζουν βήμα- βήμα.
Χρησιμοποιώντας την ως εργαλείο, οι ερευνητές ήταν σε θέση να προκαλέσουν εκπλήξεις στους ειδικούς του χώρου: Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, οι Κόστερλιτς και Θάουλες ανέτρεψαν τη θεωρία πως η υπεραγωγιμότητα ή η υπερρευστότητα δεν μπορούσαν να προκύψουν σε εξαιρετικά λεπτά στρώματα υλικών. Ακόμη, έδειξαν ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να προκύψει σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίας και εξήγησαν τον μηχανισμό (μεταβολή φάσης) που την κάνει να εξαφανίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Τη δεκαετία του 1980 ο Θάουλες ήταν σε θέση να εξηγήσει ένα προηγούμενο πείραμα με πολύ λεπτά ηλεκτρικά αγώγιμα στρώματα, στα οποία η αγωγιμότητα μετρούνταν με ακρίβεια ως βήματα ακεραίων αριθμών- για τους οποίους έδειξε πως ήταν τοπολογικής φύσης. Κατά την ίδια περίοδο, ο Ντάνκαν Χαλντέιν ανακάλυψε πώς τοπολογικές έννοιες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να κατανοηθούν οι ιδιότητες αλυσίδων μικρών μαγνητών που παρατηρούνται σε κάποια υλικά.
Οι Κόστερλιτζ και Θούλες μελέτησαν φαινόμενα που εκδηλώνονται σε υλικά που παίρνουν τη μορφή λεπτών φιλμ, με πάχος ενός μόλις ατόμου, τα οποία θεωρείται ότι έχουν μόνο δύο διαστάσεις (μήκος και πλάτος) αντί για τρεις (αφού δεν έχουν βάθος).
Ο Χάλντεϊν μελέτησε επιπλέον υλικά σε ίνες, τόσο λεπτές ώστε θεωρούνται ουσιαστικά μονοδιάστατες (έχουν μόνο μήκος).
Στα υλικά αυτά, όπως και σε υλικά που ψύχονται κοντά στο απόλυτο μηδέν, εκδηλώνονται κβαντικά φαινόμενα που μένουν πάντα κρυμμένα στις φάσεις της ύλης που γνωρίζουμε από την καθημερινότητα -για παράδειγμα, ορισμένα υλικά γίνονται ξαφνικά μαγνητικά.
Οι τοπολογικές μεταμορφώσεις που περιέγραψαν οι τρεις νικητές του Νόμπελ εκτιμάται ότι θα οδηγήσουν σχετικά σύντομα σε υλικά για ηλεκτρονικά κυκλώματα και υπεραγωγούς. Τέτοια υλικά θα μπορούσαν επίσης να επιτρέψουν την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.
Ο Ντέιβιντ Θούλες γεννήθηκε το 1934 στη Βρετανία και είναι σήμερα επίτιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σιάτλ.
Ο Φ.Ντάνκαν Χάλντεϊν γεννήθηκε το 1951 στη Βρετανία και σήμερα είναι καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον στην Καλιφόρνια.
Ο Τζ.Μάικλ Κόστερλιτζ γεννήθηκε το 1942 στη Βρετανία και εργάζεται σήμερα στο Πανεπιστήμιο Μπράουν στο Ρόουντ Άιλαντ των ΗΠΑ.
Το Νόμπελ Φυσικής είναι το δεύτερο που ανακοινώνεται μετά το Νόμπελ Ιατρικής – Φυσιολογίας τη Δευτέρα. Ακολουθούν το Νόμπελ Χημείας αύριο, Ειρήνης την Παρασκευή και Οικονομικών Επιστημών τη Δευτέρα. Η ημερομηνία για το Νόμπελ Λογοτεχνίας δεν έχει ακόμα καθοριστεί.
Κάθε βραβείο συνοδεύεται από χρηματικό έπαθλο 8 εκατομμυρίων σουηδικών κορωνών, περίπου 833.000 ευρώ.
Η κβαντική φυσική γίνεται ορατή στις χαμηλές θερμοκρασίες
Κατά βάθος, όλη η ύλη διέπεται από τους νόμους της κβαντικής φυσικής. Τα αέρια, τα υγρά και τα στερεά είναι οι γνωστές φάσεις της ύλης, όπου τα κβαντικά φαινόμενα είναι συνήθως κρυμμένα πίσω από τυχαίες ατομικές κινήσεις. Αλλά σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου) η ύλη αποκαλύπτει νέες φάσεις και συμπεριφέρεται με μη-αναμενόμενους τρόπους. Η κβαντική φυσική, η οποία ως γνωστόν λειτουργεί μόνο στον μικρόκοσμο, ξαφνικά γίνεται ορατή στον μακρόκοσμο (εικ. 1).
Οι φάσεις της ύλης. Οι πιο γνωστές φάσεις είναι η αέρια, η υγρή και η στερεή. Ωστόσο, σε εξαιρετικά υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες η ύλη εμφανίζεται και σε άλλες, πιο εξωτικές φάσεις.
Οι συνηθισμένες μετατροπές φάσεων της ύλης συμβαίνουν όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται. Για παράδειγμα, μία τέτοια μετατροπή φάσης συμβαίνει όταν ο πάγος, ο οποίος αποτελείται από «όμορφα τακτοποιημένους» κρυστάλλους, θερμαίνεται και λιώνει προς υγρό νερό, μια πιο χαοτική φάση της ύλης. Όταν παρατηρούμε τα λιγότερο γνωστά δισδιάστατα υλικά, ανακαλύπτουμε φάσεις της ύλης που δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί πλήρως.
Περίεργα πράγματα συμβαίνουν στις χαμηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, η αντίσταση που συνήθως αντιμετωπίζουν όλα τα κινούμενα σωματίδια, ξαφνικά παύει να υπάρχει. Αυτό συμβαίνει όταν το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς καμία αντίσταση σε ένα υπεραγωγό, ή όταν ένας στρόβιλος σε ένα υπερρευστό περιστρέφεται για πάντα χωρίς να επιβραδύνεται.
Ο Ρώσος Pyotr Kapitsa, στη δεκαετία του 1930, ήταν ο πρώτος που μελέτησε συστηματικά τα υπερρευστά. Ψύχοντας ήλιο-4, στους -271 βαθμούς Κελσίου, το έκανε να ρέει ανεβαίνοντας έξω από τα τοιχώματα του δοχείου που το περιείχε. Με άλλα λόγια, συμπεριφερόταν τόσο παράξενα, όπως ένα υπερρευστό, όπου το ιξώδες έχει εξαφανιστεί εντελώς. Ο Kapitsa βραβεύτηκε με Νόμπελ Φυσικής το 1978, και από τότε έχουν δημιουργηθεί διάφοροι τύποι υπερρευστών στο εργαστήριο. Το υπερρευστό ήλιο, λεπτά υμένια υπεραγωγών, λεπτά στρώματα μαγνητικών υλικών και ηλεκτρικά αγώγιμα νανονήματα είναι μερικές από τις νέες φάσεις της ύλης, που πλέον έχουν μελετηθεί εξαντλητικά.
Πηγή και ΑΠΕ,
