今年のノーベル物理学賞を受賞したばかりの3人の最新のノーベル賞受賞者ほど奇妙な世界を掘り下げた探検家はほとんどいません。 これらの著名な物理学者は、いくつかの最もエキゾチックな物質の状態での仕事に敬意を表され、その基本的な謎を理解し、トポロジカル金属、絶縁体、超伝導体などの新しい材料の今日の探査と開発の時代への扉を開いています。
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スウェーデン王立科学アカデミーは共同で賞を授与し、半分はワシントン大学のデビッドJ.トゥーレスに、残りの半分はプリンストン大学のF.ダンカンM.ハルデンとブラウン大学のJ.マイケルコスターリッツに行きます。それがあなたにとって抽象的に聞こえるなら、あなたは一人ではありません：勝者の業績は非常に難解だったので、ある委員会のメンバーは、朝食パンを使ってそれらを実証しようとしました。
Thouless、Haldane、およびKosterlitzは、「平地」と呼ばれる物理世界の超現実的な部分で機能します。この世界は、物質の表面、または本質的に二次元であるほど薄い層の内側にあります。 実際、Haldaneの仕事のいくつかは、スレッドが基本的に1次元であるほど細いスレッドに焦点を当てています。 ここで、物質はその最も奇妙な形をとっています。
1970年代から1980年代にかけて、科学者たちは、超伝導体、超流動体、薄い磁性膜など、この領域で見つかった奇妙な形の秘密を明らかにしました。 今朝、ストックホルム大学の物理学者であるノーベル物理学委員会のメンバーであるトールス・ハンス・ハンソンは、シナモンロール、ベーグル、プレッツェルを使用して、受賞した発見に使用したエレガントな数学的概念を説明しました。
トポロジは、明確に定義された増分によってのみ変化するプロパティに焦点を当てた数学のシステムです。 ハンソンの朝食用食品の例で重要なのは、パンに穴がなく、ベーグルに1つの穴があり、プレッツェルに2つの穴があることです。 「穴の数は、トポロジー学者がトポロジー不変量と呼ぶものです」とハンソンは記者会見で説明しました。 「半分の穴、または2分の3の穴を開けることはできません。 トポロジ不変量は整数のみを持つことができます。」
エキゾチックな物質の多くの側面も、この1つ穴、2つ穴の概念に準拠していることがわかります。
1982年、Thoulessはこの考えを使用して、電気コンダクタンスの神秘的な量子ホール効果を説明しました。 非常に低い温度と高い磁場での薄い層内で、電気伝導度は非常に正確に測定できる単位で構築されることがわかりました。 Thoulessは、この効果のステップが位相不変量によって説明できることを証明しました。 それは、整数の倍数で機能しました。これは、朝食用食品の例にある変更不可能な数の穴のようです。
1988年、ダンカンハルデンはこの研究ラインを新たなフロンティアに押し上げ、薄い半導体層が磁場がなくても量子ホール効果を収容できることを発見しました。
受賞者の研究により、絶対零度（-273°C）付近の温度で見られる物質の新しい段階も明らかになりました。 1983年、Haldaneは一連の磁性原子のセットを発見しました。これは、これまでに発見された最初のタイプの新しいトポロジー物質です。 その偉業は、層、鎖、通常の三次元材料に隠された物質の新しい位相的位相を発見するための継続的なレースを開始しました。
これらの発見は、今日では抽象的またはエキゾチックと考えられるかもしれませんが、いつか不可欠な、ありふれた材料の発見への道を開くことができるとハンソンは言います。 「今、私たちにとってエキゾチックなものは、20年または30年でそれほどエキゾチックではないかもしれません」と彼は発表後、ジャーナリストのジョアナ・ローズに語った。 「最初に登場したとき、電気は非常にエキゾチックでしたが、もはやエキゾチックではありません。」
トポロジは、物質の状態がどのように変化するかについての従来の理解を刷新しました。 一般に、温度が変化すると、つまり水が凍結すると、相変化が起こります。 しかし、極端に低い温度では、気体、液体、固体といった身近な物質の状態が、奇妙な新しい相や挙動への道を与えます。 電流は抵抗なく流れることができ、超伝導体を可能にします。 ロシアのピョートル・カピツァが1978年にノーベル物理学賞を受賞した超流動体のような新しい物質相は、決して減速しない渦を回転させることができます。
1970年代に、ThoulessとKosterlitzは、この奇妙な領域で物質がある状態から別の状態に移動するまったく新しい方法を発見しました。平坦な材料内の小さな竜巻のような小さな渦によって引き起こされるトポロジカルな移行です。 低温では、渦は対を形成し、温度が遷移点まで上昇すると、渦は互いに突然分離し、自発的にスピンオフします。
「KT移行」と呼ばれるこの移行は、科学者が凝縮物質、原子物理学、統計力学を研究できるようにする革新的なツールになりました。
アカデミーから電話があったとき、Haldaneは名誉に驚き、満足していると宣言しました。 「この作品はかなり前のことでしたが、このオリジナルの作品に基づいた多くの途方もない新しい発見が起こっているのは今だけです...」と彼は言いました。 Hanssonはこれらの考えに反論し、世界中の科学者は現在、これらのツールを使用して、エレクトロニクス、新しい材料、さらには新しい量子コンピューターのコンポーネントへの実用化に取り組んでいると指摘しました。
しかし何よりもまず、Hansson氏は、この賞は例外的な科学を称えるためのものであると強調しました。 「彼らは美しい数学と物理学への深い洞察を組み合わせ、予想外の結果を達成しました。 それが賞の目的です」と彼は付け加えました。 「本当に美しく、深いです。」
