Сдвиг по фазе: за что дали Нобелевскую премию по физике в 2016 году?

Во-первых, премию дадут за теоретические исследования — за то, как учёные смогли объяснить нечто ранее установленное экспериментаторами или же, наоборот, то, что потом было открыто в эксперименте. Слово "топологических" относится к одной из областей математики — топологии, которая сама по себе является не самой простой наукой. Например, с точки зрения топологии нет никакой разницы между обычной чашкой (с замкнутой ручкой) и бубликом: и у того, и у другого есть одно отверстие. А вот бублик и кекс отличаются друг от друга: в кексе нет отверстий.

Строго говоря, топология позволяет разобраться с тем, какие процессы могут происходить непрерывно (например, кекс можно непрерывно расплющить в плоский блин), а какие требуют разрывов (чтобы сделать из кекса бублик, нужно его продырявить). Каждый такой разрыв — важное изменение в чём-либо с точки зрения топологии.

Следом идёт фраза "фазовых переходов". На самом деле с фазовыми переходами мы встречаемся постоянно: когда в кастрюле кипит вода, происходит фазовый переход из жидкости в газ, когда тает снег — это фазовый переход из твёрдой материи в жидкость. Такие изменения всегда совершаются скачкообразно, и вместе с ними меняются свойства материи — плотность жидкой воды отличается от плотности льда при нуле по Цельсию, причём лёд оказывается даже менее плотным. Именно фазовые переходы "виноваты" в том, что на морозе замёрзшая вода может разбить стеклянную бутылку, расширившись.

Топологические фазовые переходы — это переходы, в которых происходят какие-либо изменения с точки зрения топологии, такие как, например, возникновение дырок в кексе. Вместо дырок нобелевские физики рассматривают вихри — образования, в которых какой-либо параметр, если представить его в виде вектора, закручивается по часовой стрелке или против неё. Например, если бросить много лёгких палочек в воду, сливающуюся в раковине, можно увидеть направление вектора скорости в "вихре воды".

С точки зрения физики образование вихря схоже с продырявливанием кекса. То есть сделать это довольно сложно, поскольку нужно затратить большую энергию, а на языке математики — изменить топологию объекта. Но при этом избавиться от вихря тоже не так-то легко, так как для этого тоже придётся изменить топологию объекта, только теперь не продырявить, а "срастить" кекс.

И, таким образом, от абстрактных вихрей и математики мы сразу же переходим к области применения нобелевской теории. Так как вихревые образования достаточно устойчивы, и поскольку они несут с собой некую дискретную информацию — закрученность по или против часовой стрелки, — они вполне могут найти применение в квантовых компьютерах. Действительно, сочетания фраз "квантовый компьютер" и "топологический изолятор" можно встретить в современных научных статьях довольно часто.

Суммируя вышесказанное, можно утверждать, что топологические фазовые переходы связаны с образованием разного рода вихрей или, другими словами, "топологических дырок". Но если углубиться в нобелевскую теорию, выясняется, что это явление — не просто "продырявливание" вихрями двумерных плёнок.

Есть некая температура, выше которой тепловой энергии в веществе достаточно, чтобы образовывать лишь одиночные вихри. Но оказывается, что ниже этой температуры они тоже не исчезают, а группируются в пары с противоположными свойствами, например, спинами (это характеристика, с которой связывают существование магнитных явлений). Энергия пары вихрь — антивихрь оказывается не настолько высока, как у одиночного вихря, поэтому топологические фазовые переходы часто связывают с "разлучением" (распариванием) вихрей при повышении температуры.

Несмотря на то что лауреаты Нобелевской премии этого года в основном теоретики, сейчас уже есть множество экспериментальных работ, посвящённых топологическим явлениям. Практически все они имеют дело с двумерными объектами — тонкими магнитными плёнками, двумерными сверхпроводниками (материалами с нулевым электрическим сопротивлением при определённой температуре) и массивами из плоских джозефсоновских контактов, а также поверхностями некоторых материалов и даже плёнками жидкого гелия, охлаждёнными до состояния сверхтекучести. С последним материалом, жидким гелием, связана одна неприятная, но, к сожалению, довольно распространённая история в науке.

Строго говоря, Нобелевскую премию с лауреатами этого года должен был разделить ещё один человек — советский физик-теоретик Вадим Березинский. Именно он впервые показал, что плёнки жидкого гелия в принципе могут быть сверхтекучими. Ранее считалось, что при конечной температуре тепловые флуктуации (колебания) будут разрушать порядок в двумерной системе, делая возникновение таких явлений, как сверхтекучесть или сверхпроводимость (очень условно — способность вещества протекать без трения), попросту невозможным.

Березинский обнаружил важность понятия "вихрь" в двумерных системах и объяснил с его помощью ряд эффектов. Его первая работа по этой теме, опубликованная в "Журнале экспериментальной и теоретической физики" ещё в 1970 году, была настолько сложна математически, что понять её было непросто даже профессиональному физику. Однако статья была замечена британскими учёными Костерлицем и Таулесом, которые, сделав идею Березинского более применимой к физике, положили начало новому направлению науки, связанному с топологическими явлениями. Поэтому в российской литературе, да и часто за рубежом топологический фазовый переход называют "переходом Березинского — Костерлица — Таулеса".

Позднее физики применили топологический подход для объяснения множества других явлений. Например, с помощью этой теории можно объяснить свойства одномерных магнитных цепочек, возникающих в некоторых материалах. Это и сделал Дункан Халдан, за что стал третьим лауреатом Нобелевской премии по физике этого года. Его работы были опубликованы гораздо позже, но успели внести значительный вклад в развитие физики твёрдого тела. Так, словосочетание "халдановские спиновые цепочки" сейчас знакомо любому учёному, который занимается физикой новых магнитных веществ.

К сожалению, Березинский не смог дожить до триумфа его теории, и Нобелевская премия этого года была поделена между британскими физиками: половина достанется Дэвиду Таулесу, а другую половину разделят между собой Майкл Костерлиц и Дункан Халдан. Осталось неясным, почему денежное вознаграждение, которое в этом году составило 8 миллионов шведских крон (около 58 миллионов рублей), было распределено именно так. В любом случае присуждение Нобелевской премии за теорию топологических явлений оказалось неожиданностью для мировой научной общественности, поскольку награду прочили другому грандиозному открытию этого года — наблюдению гравитационных волн.

Материалы по теме:

Аутофагия: за что дали Нобелевскую премию по медицине в 2016 году?

Профессор МГУ: Эту Нобелевскую премию должен был получить российский физик

Врач: Лауреат Нобелевской премии сделал шаг к открытию лекарства от слабоумия