Az anyag Nobel-díjas egzotikus állapotai

Molnár Csaba

Molnár Csaba

2016. október 4., kedd 13:18, frissítve: kedd 13:36

Ma a fizikai Nobel-díjjal folytatódott az idei kitüntetések bejelentésének sorozata. A fizikai díjat, amelyet a Svéd Királyi Tudományos Akadémia ítél oda, három amerikai fizikus kapta „az anyag topológiai fázisátmenetei terén végzett elméleti felfedezéseikért”. Munkájuk legközismertebb eredményei a szupravezetés kutatásának ugrásszerű fejlődését hozták.

A díjat fele részben a seattle-i Washingtoni Egyetemen dolgozó David J. Thouless kapta, míg a kitüntetés (és a vele járó pénzjutalom) másik felét F. Duncan M. Haldane, a Princeton, illetve J. Michael Kosterlitz, a Brown Egyetem tudósai között osztották meg. Kutatási témájuk és felfedezéseik eredményeként a díjat odaítélő bizottság értékelése szerint „ajtó nyílt az anyag korábban ismeretlen állapotainak (fázisainak) világára”.

Mindhárman fejlett matematikai eszközöket használva tanulmányozták azokat a halmazállapotokat, amelyek gyökeresen másképp viselkednek, mint a köznapi életben megtapasztalt három halmazállapot (a szilárd, a folyékony és a gáz). Ilyen fázisokban működik a szupravezetés, itt léteznek a szuperfolyadékok vagy a vékony, gyakorlatilag kétdimenziós síkként értelmezhető mágneses filmek. Felfedezéseik az elkövetkező évtizedekben bizonyosan előbbre fogják vinni az elektronikai ipart, de a technológia és talán az orvoslás megannyi területén is alkalmazni fogják azokat.

 
Nils Martensson, Goran K. Hansson és Thomas Hans Hansson, a Svéd Királyi Tudományos Akadémiának a fizikai Nobel-díj odaítéléséről döntő bizottság tagjai bejelentik, hogy az anyagkutatás terén elért elméleti eredményeikért David Thouless, Duncan Haldane és Michael Kosterlitz brit születésű tudósok (a kivetítőn) nyerték el a fizikai Nobel-díjat a stockholmi Nobel-fórumon 2016. október 4-én
Fotó: Anders Wiklund / MTI
 

Michael Kosterlitz és David Thouless a hetvenes években az akkori felfogásra rácáfolva kimutatták, hogy a szupravezetés és a szuperfolyékonyság létrejöhet rendkívül vékony rétegekben, anyagfilmekben is. A szuperfolyékonyság az anyag különleges halmazállapota, amely rendkívül alacsony hőmérsékleten jöhet létre, és gyakorlatilag nulla belső súrlódás illetve nagy hővezető képesség jellemzi. A fizikusok azt is bizonyították, hogy a szupravezetés kizárólag extrém alacsony hőmérsékleten (mínusz 200 Celsius-fok alatt) alakulhat ki. Feltárták emellett a fázisátmenet mechanizmusát is, amelynek eredményeképpen a szupravezetés magasabb hőmérsékleten eltűnik.

Mindhárom díjazott kutató felfedezéseihez a matematika topológia nevű részterületét alkalmazta. A topológia a geometriának egy ága, és az alakzatok olyan jellegzetességeivel foglalkozik, amelyek akkor is állandóak maradnak, ha deformáljuk, tehát nyújtjuk, összenyomjuk vagy hajtogatjuk őket. Duncan Haldane, a harmadik nyertes ezeket a topológiai módszereket az anyagban lévő apró mágnesek láncszerű működésének megértésére alkalmazta. Az elmúlt évtizedben gőzerővel indultak be a hasonló kutatások, amelyeket a három kitüntetett tudós munkássága alapozott meg. Mindezek elengedhetetlenek lesznek az új típusú elektronikai eszközök, legfőképpen a kvantumkomputerek kifejlesztéséhez.

Hogy a díjazottak munkásságának lényegét (legalább elemi szinten) megértsük, érdemes áttekintenünk az anyag halmazállapotait. Bár az atomok viselkedését végső soron minden halmazállapotban (fázisban) a kvantummechanika törvényei vezérlik, a köznapi életből is ismert hőmérsékleti tartományban e hatást elfedik a részecskék véletlenszerű mozgásai, rezgésük. Ahogy azonban végletesen lehűtjük az anyagot, és közelítünk az abszolút nulla fokhoz (mínusz 273 Celsius-fokhoz), mintha egy más világba csöppennénk, és a kvantummechanika működése szemmel láthatóvá válik – írja a Nobel-bizottság a díjazás alkalmával publikált tanulmányában.

Extrém alacsony hőmérsékleten az anyagon belüli súrlódás gyakorlatilag megszűnik. Így a szupravezető anyagokban az elektronok akadálytalanul száguldhatnak, a szuperfolyadékokban pedig az örvények megmaradhatnak az idők végeztéig, hiszen súrlódás híján nincs, mi megállítsa őket. A furcsaságok csak sokasodnak, ha ezekből az anyagokból olyan vékony filmeket képezünk, amelyek szinte egyetlen atomnyi vastagok.

Az elmúlt évtizedekben a világ anyagfizikai laborjaiban már rengetegféle szuperfolyadékot, filmszerű szupravezetőt és mágneses tulajdonságokkal bíró anyagot előállítottak, és intenzíven vizsgálják őket napjainkban is. A köznapi életben soha nem látott tulajdonságaik egy (nem is olyan távoli) napon valószínűleg megújítják mindazt, amit ma az elektronikáról tudunk. 

A szerkesztő ajánlja

MN

Az én Jókaim – 193 éve született a „nagy magyar mesemondó”

A nagy elbeszélőre emlékezve arra kértük szerzőinket, meséljenek nekünk egy flekk Jókait.

Pethő Tibor

„Párttitkárok soha nem határozhatják meg az anyaszentegyház magatartását”

Az év elején mutatták be a Bulányi György piarista papról és a Bokor közösségről szóló dokumentumfilmet.

Vékony Zsolt

Egy szemérmes és roppant energikus ember – hetvenéves Cserhalmi György

Bár az utóbbi években több lesújtó dologgal is szembe kellett néznie, továbbra is kiemelkedő ikonja a magyar színjátszásnak.

Molnár Csaba

Az amerikai elnökválasztást befolyásoló orosz trollok mindennapjai

Tizenhárom orosz a Facebook és Twitter segítségével dróton rángatta az amerikai választók tömegeit.