Nobelio premija fizikoje - 2016 m. • Igoris Ivanovas • Mokslo naujienos apie "Elementus" • Nobelio premijos, fizika

Nobelio premija fizikoje – 2016 m

Pav. 1. Nobelio premijos laureatai fizikoje 2016 m. Iš kairės į dešinę: Michaelas Kosterlitzas, Davidas Jamesas Thoulesas ir Michael Haldane Frederikas

Nobelio premija už fiziką 2016 m. Buvo apdovanota Michael Kosterlitz, David Towles ir Duncan Haldane su formuluotė "teorinių atradimų topologinių fazių perėjimų ir topologinių medžiagų fazių"Dėl šiek tiek neryškios ir neaiškios plačiosios visuomenės frazės yra visai nedidelių ir nenuoseklių padarinių pasaulis net ir patiems fizikams, kurio teorinis atradimas 1970-1980 m. Laureatams buvo pagrindinis vaidmuo. Žinoma, jie buvo ne vieninteliai, kurie tuo metu suprato Tuo tarpu sovietų fizikas Vadimas Berezinskis iš tikrųjų pirmasis svarbus žingsnis pereinant prie topologinės fazės perėjimų per metus prieš Kosterlitzą ir "Tauless", taip pat galima pavadinti daugybe kitų pavadinimų. Bet vis dėlto visi trys lau EATA tikrai yra iconic skaičiai šioje fizikos šaka.

Lyrinė įvadas į kondensuotųjų medžiagų fiziką

Apibūdinant prieinamus žodžius, darbų, kurių fizinis Nobelio 2016 m. Buvo apdovanotas, esmė ir svarba nėra lengva užduotis.Ne tik reiškiniai yra sudėtingi, bet ir kvantiniai, jie taip pat yra įvairūs. Apdovanojimas buvo skirtas ne vienam konkrečiam atradimui, bet visam novatoriškų darbų, kuris 1970-aisiais ir 1980-aisiais paskatino naujos krypties kondensuotų medžiagų fizikoje, sąrašą. Šioje naujienoje stengiuosi pasiekti kuklesnį tikslą: paaiškinkite keletą pavyzdžių. esmė apie tai, kas yra topologinis fazinis perėjimas, ir perteikia jausmą, kad tai iš tiesų yra gražus ir svarbus fizinis poveikis. Istorija bus tik apie pusę premijos, kurioje pasirodė Kosterlitzas ir Tauless. Haldane darbai yra vienodai patrauklūs, tačiau jie yra dar mažiau vizualūs, todėl jų paaiškinimas reikalauja labai senų istorijų.

Pradėkime nuo Blitz įvado į turtingiausius reiškinius skyriuje fizika – kondensuotųjų medžiagų fizika.

Kondensuota terpė yra kasdieninėje kalboje, kai daugelis to paties tipo dalelių sujungia ir stipriai įtakoja vienas kitą. Beveik kiekvienas žodis čia yra raktas. Pačios dalelės ir jų tarpusavio sąveikos įstatymas turi būti vienodo tipo. Prašau, galite priimti keletą skirtingų atomų, tačiau svarbiausias dalykas yra tai, kad šis fiksuotas rinkinys kartojasi iš karto ir vėl. Turėtų būti daug dalelių; Dvylika ar dvi nėra kondensuotas terpė.Ir pagaliau jie turi stipriai įtakoti vienas kitą: stumti, traukti, kištis vienas į kitą, galbūt kažkas gali būti keičiamasi vienas su kitu. Praskiestos dujos nelaikomos kondensuotomis terpėmis.

Pagrindinis kondensuotųjų medžiagų fizikos apreiškimas: su tokiomis labai paprastomis "žaidimo taisyklėmis" atskleidėme begalinį reiškinių ir padarinių turtą. Toks reiškinių įvairovė apskritai nepasitaita dėl skirtingos sudėties – dalelių yra tos pačios rūšies -, bet dėl ​​to spontaniškai, dinamiškai kolektyvinis poveikis. Tiesą sakant, kadangi sąveika yra stipri, nėra jokios prasmės pažvelgti į kiekvieno atskiro atomo ar elektrono judėjimą, nes tai nedelsiant daro įtaką visų artimiausių kaimynų ir galbūt net tolimų dalelių elgesiui. Kai skaitote knygą, jis "kalba" su tavimi ne atskirų raidžių išsiskleidimu, o susijusių žodžių rinkiniu, jis perteikia jums mintis "raidžių kolektyvinio efekto" forma. Panašiai kondensuotoji medžiaga "kalba" sinchroninių kolektyvinių judėjimų kalba, o ne atskiromis dalelėmis. Ir šie kolektyviniai judėjimai, pasirodo, yra labai įvairūs.

Dabartinė Nobelio premija švenčia teoretikų darbą, iššifruojant kitą "kalbą"kur kondensuotas medžiaga gali "kalbėti" – kalba topologiškai netiesiniai susijaudinimai (kas tai yra – žemiau). Daugybė specifinių fizinių sistemų, kuriose vyksta tokie sužadinimo atvejai, jau buvo rasta, o daugelis jų rankose. Tačiau svarbiausias dalykas čia nėra konkretus pavyzdys, bet faktas, kad jis iš prigimties taip pat atsitinka.

Daugelis topologinių reiškinių suslėgtose medžiagose buvo iš pradžių išradę teoretikai ir atrodė, kad tai tik matematiniai išprotėjimai, nesusiję su mūsų pasauliu. Tačiau eksperimentuotojai nustatė realią aplinką, kurioje pastebimi šie reiškiniai, o matematinė spąstai staiga sukėlė naują klasę medžiagų, turinčių egzotinių savybių. Šio fizikos skyriaus eksperimentinė pusė dabar auga, o ši spartus vystymasis tęsis ir ateityje, pažadėdamas mums naujas medžiagas, turinčias programuotų savybių ir jų pagrindu veikiančių įrenginių.

Topologinis sužadinimas

Pirma, paaiškiname žodį "topologiškai". Nebijok, kad paaiškinimas skambės kaip nuogi matematika; ryšys su fizika bus akivaizdus.

Yra tokia matematikos šaka – geometrija, figūrų mokslas.Jei formos forma yra sklandžiai deformuota, nuo paprastos geometrijos požiūriu pati forma pasikeičia. Tačiau skaičiai turi bendras savybes, kurios, lygiai deformuojant, be tarpų ir klijavimo, lieka nepakitę. Tai yra figūros topologinė charakteristika. Labiausiai žinomas topologinės charakteristikos pavyzdys yra skylių skaičius trimatėje kūne. Arbatos puodelis ir buko yra topologiškai ekvivalentiški, abu turi tik vieną skylę, taigi sklandžiai deformuojant vieną figūrą galima paversti kita. Puodelis ir stiklas topologiškai skiriasi, nes stiklas neturi skylių. Norint įtvirtinti medžiagą, siūlau susipažinti su puikia moterų maudymosi topologine klasifikacija.

Taigi, daroma išvada: viskas, kas gali būti sumažinta vienodai sklandžiai deformuojant, laikoma topologiškai lygiaverte. Du skaičiai, kuriuos jūs negalite paversti vieni kitais sklandžiai, laikomi topologiškai kitokiais.

Antras paaiškinimo žodis yra "susijaudinimas". Fizikoje su kondensuotu medžiagu susijaudinimas yra bet koks kolektyvinis nuokrypis nuo "mirusio" nejudančiojo būklės, ty iš valstybės su mažiausiąja energija.Pavyzdžiui, jie nukentėjo į kristalą, sklido garso banga – tai yra kristalų grotelių vibracinis sužadinimas. Išsiveržimai neturi būti priversti, jie gali spontaniškai atsirasti dėl ne nulinės temperatūros. Paprastai kristalinės grotelės terminis triukšmas iš tiesų yra daugyb ÷ s dubliuojančių vibracinių sužadinimo (fononų) su skirtingais bangos ilgiais. Kai fononų koncentracija yra didelė, vyksta fazinis perėjimas, kristalai ištirpsta. Apskritai, kai tik mes suprantame, kokius sužadinimus reikia apibūdinti tam tiktai suslėgtoje terpėje, mes turėsime raktą į jo termodinamines ir kitas savybes.

Dabar sujunkite du žodžius. Garso banga yra topologiškai pavyzdys. trivialus jaudulys. Tai skamba protingai, bet savo fizine prasme tai tiesiog reiškia, kad garsas gali būti savavališkai tylus, net iki visiško išnykimo. Garsus garsas – atomų virpesiai yra stiprūs, žemi garsai – silpni. Vibracijos amplitudė gali būti sklandžiai sumažinta iki nulio (tiksliau, iki kvantinės ribos, tačiau čia čia nėra svarbu), ir vis tiek bus garso sužadinimas, fononas. Atkreipkite dėmesį į pagrindinį matematinį faktą: veikia sklandžiai keičiant svyravimus iki nulio – tai yra tik amplitudės sumažėjimas.Būtent tai reiškia, kad fononas yra topologiškai trivialus pasipiktinimas.

Ir dabar jungiasi turtingas kondensuotas medžiaga. Kai kuriose sistemose egzistuoja jaudinimai negali būti sklandžiai sumažintas iki nulio. Ne fiziškai neįmanoma, bet iš esmės – forma neleidžiama. Visur nėra paprasčiausio sklandaus veikimo, kuris imasi sistemos su sužadinimo į sistemą su mažiausia energijos. Jo formavimas yra topologiškai skirtingas nuo tų pačių fononų.

Pažiūrėk, kaip tai paaiškėja. Pažvelkime į paprastą sistemą (vadinamą XY modeliu) – paprasčiausią kvadratinę grotelę, kurios mazgai yra savo nugaros dalies, kurios savavališkai gali būti nukreiptos šioje plokštumoje. Mes vaizduosime atgal su strėlėmis; Rodyklės orientacija yra savavališka, tačiau ilgis yra fiksuotas. Darysime prielaidą, kad gretimų dalelių grįžtys sąveikauja tarpusavyje taip, kad labiausiai energetiškai palanki konfigūracija yra tada, kai visi gręžimai visuose mazguose atrodo taip pat, kaip feromagnetu. Ši konfigūracija parodyta fig. 2, kairėje. Sparno bangos gali eiti palei tai – mažos banguojamos nugaros, nukrypstančios nuo griežtos tvarkingumo (2 pav., Dešinėje).Bet tai visi įprasti, topologiškai trivialūs sujaudinimai.

Pav. 2 Kvadratinės grotelės su sąveikaujančiomis verpimo grunto būsena (kairėje) ir nugaros banga (dešinėje) Vaizdas iš ribbonfarm.com

Dabar pažvelk į nuotrauką. 3. Čia rodomi du neįprastos formos sutrikimai: sūkurys ir antivorteksas. Nuovokai pasirinkite tašką paveikslėlyje ir žiūrėkite aplinkinį centrą priešais laikrodžio rodyklę, atkreipdami dėmesį į tai, kas vyksta su strėniais. Jūs pamatysite, kad sūkuryje rodyklė sukasi ta pačia kryptimi, prieš laikrodžio rodyklę ir antivorteks – priešinga kryptimi laikrodžio rodyklės kryptimi. Dabar taip pat atlikite pagrindinę sistemos būklę (rodyklė paprastai yra nejudama) ir būklėje su nugaros banga (ten rodyklė šiek tiek juda šalia vidutinės vertės). Taip pat galite įsivaizduoti, kaip deformuotos šių nuotraukų versijos, tarkim, sukimosi bangos į apkrovą į sūkurį: ten rodyklė taip pat padarys visišką posūkį, šiek tiek pagyvins.

Pav. 3 Du topologiškai netiriuški grįžtamosios grotelės sužadinimai: sūkurys (kairėje) ir antivortex (dešinėje) Vaizdas iš ribbonfarm.com

Po šių pratimų paaiškėja, kad įveikti visi galimi sužadinimo būdai iš esmės skirtingos klasėsAr rodyklė visiškai sukasi, važiuodama centru ar ne, ir jei taip, kokia kryptimi. Šios situacijos turi skirtingas topologijas. Jokių sklandžių pokyčių negalima paversti sūkuriu į įprastą bangą: jei pavirsite rodyklėmis, tada staiga, iš karto ant visos tinklelio ir iškart dideliu kampu. Sūkurys, taip pat antivortexas, topologiškai apsaugotas: jie, skirtingai nuo garso bangos, gali ne tik ištirpti.

Paskutinis svarbus dalykas. Sūkurys topologiškai skiriasi nuo paprastos bangos ir nuo antivortex tik tada, kai strėlės yra griežtai figūros plokštumoje. Jei mums leidžiama iškelti juos į trečią dimensiją, tada sūkurį galima sklandžiai pašalinti. Topologinė sužadinimo klasifikacija labai priklauso nuo sistemos matmenų!

Topologiniai faziniai perėjimai

Šie grynai geometriniai argumentai turi visiškai apčiuopiamą fizinę pasekmę. Paprasto svyravimo energija to paties fonono gali būti savavališkai maza. Todėl bet kokioje savavališkai žemoje temperatūroje šie svyravimai spontaniškai kyla ir veikia terpės termodinamines savybes. Topologiškai apsaugoto sužadinimo energija, sūkurys, negali būti mažesnė už tam tikrą ribą.Todėl žemoje temperatūroje atsiranda individualių sūkuriai, todėl jie neturi įtakos sistemos termodinaminėms savybėms – bent jau tai buvo manoma iki 1970-ųjų pradžios.

Tuo tarpu 1960 m. Daugelio teoretikų pastangos atskleidė problemą suprasti, kas vyksta XY modelyje fiziniu požiūriu. Įprastoje trimačioje byloje viskas paprasta ir intuityvi. Esant žemai temperatūrai, sistema atrodo tvarkingai, kaip parodyta Fig. 2. Jei mes paimame dvi savavališkas tinklelių vietas, net jei jie yra labai toli, tuomet jų sukzynės šiek tiek svyruoja apie tą pačią kryptį. Tai, santykinai kalbant, yra nugaros krištolas. Esant aukštai temperatūrai, nugaros "ištirps": dvi nutolusios grotelės nėra koreliuotos viena su kita. Yra aiški fazinės perėjimo temperatūra tarp dviejų valstybių. Jei temperatūra nustatoma tiksliai tokią vertę, sistema bus ypatingoje kritiškoje būsenoje, kai koreliacijos vis dar egzistuoja, bet palaipsniui palaipsniui mažėja atstumu.

Dviguboje grotelėje esant aukštai temperatūrai taip pat yra nepakartojama būklė. Bet žemoje temperatūroje viskas atrodė labai, labai keista.Įrodyta griežta teorema (žr. Teoriją Mermin-Wagner), kad dvimačio versijoje nėra kristalinės tvarkos. Tariami skaičiavimai parodė, kad tai apskritai nėra, apskritai sumažėja pagal atstumą pagal galios įstatymą – būtent taip, kaip ir kritine būsena. Bet jei trijų matmenų atveju kritinė būsena buvo tik vienoje temperatūroje, tada kritinė būsena užima visą žematemperatūrę regioną. Pasirodo, kad dvimačio atveju atsiranda kai kurie kiti sujaudinimai, kurių trimatis variantas nėra (4 pav.)!

Pav. 4 Sąlyginis vaizdas fazių nugaros modelio trimatis ir dvimatis atveju. Klausimo ženklai reiškia, kad nuo 1960-ųjų pabaigos nebuvo aišku, koks modelis savaime yra tokiose temperatūrose

1971 m. Sovietinis fizikas Vadimas Berezinskis atspindėjo kokį susierzinimą. Tai yra susietos sūkurinės ir antivortetinių poros (šie darbai, beje, sudarė jo daktaro disertaciją). Energija, kuri turi būti išleista vienam sūkuriui arba antivortex, sukurti yra labai didelė, tačiau sujungtos poros energija yra daug mažesnė. Tai buvo tokia akimirka, kai žmonės pamiršo anksčiau.Galutinėje temperatūroje tokios poros gali gimti. sklandūs vietos pokyčiai; šis procesas parodytas fig. 5. Jie sunaikina kristalinę fazę dvimatėje korpuse esant žemai temperatūrai.

Pav. 5 Sūkurio-antivortex poros gimimo ir išnykimo animacija. Vaizdas iš ribbonfarm.com

Kosterlitz ir Tauless atvyko tą pačią išvadą po metų, bet jie atrodė toliau. Jie suvokė, kad kai temperatūra pakyla, kaupiasi tiek daug sūkurių-antivortetinių porų, kad atskiros poros išsiskleisti. Jei pažvelgsite į sistemą iš tolo, nemotyvuojant atskirų strėlių ir atkreipdamos dėmesį tik į sūkurius, o ne beveik nesusijungiančių porų dujas, sistema tampa nepriklausomų ir gana gerai sąveikaujančių sūkurių ir antivorteksų dujomis. Tai labai panašus į neutralių atomų dujų pavertimą į plazmą; netgi sūkurių sąveikos įstatymas gaunamas grynai Kulombas. Paprastai vyksta fazinis perėjimas: fizikinis vaizdas keičiasi radikaliai, taip pat termodinaminės savybės. Šis fazinis perėjimas, kurį sukėlė topologinių sužadinimo atskyrimas, vadinamas "Kosterlitz-Neuless" perėjimu nuo tada, dažnai papildant Berezinskio pavardę.

Iš karto, kai suprastų topologinę šio fazinio perėjimo XY modelio kilmę, kuomet fizikai suprato svarbų topologinių sužadinimo vaidmenį, atsirado kitos fizinės sistemos, kurios taip pat pasirodė patogus pereiti į šią kalbą. Daugelis iš jų yra grynai kvantinės: plonasluoksniuose sluoksniuose vykstantis helio plonasis sluoksnis, plokščios superlaidininkų sluoksniai, magnetizmas sluoksniuotose medžiagose, sveikasis kvantinis Hall efektas ir netgi dirbtinės struktūros, tokios kaip superlaidžiųjų prietaisų grotelės. Visi jie buvo įgyvendinti eksperimentiniu būdu, o kai kurie – pažodžiui per pastaruosius metus. Mes neužgysime šių padarinių, tačiau vietoj to paminėjame dar vieną akivaizdesnį dvimačio sistemos, kuri taip pat turi topologinį fazinį perėjimą – ir netgi vieną – akivaizdų pavyzdį.

Šis pavyzdys yra tiesiog tankiai supakuoti dalelės su paprasta poros sąveika: dalelės yra stumdomas atskirai, kai jie yra presuojami vienas į kitą, ir pritraukia, kai jie yra šiek tiek išsklaidyti. Toks supaprastintas paprasto dalyko modelis, be nepagrįstų tarpatominės sąveikos komplikacijų. Trijų matmenų atveju, kai temperatūra pakyla, atsiranda įprasti kristalai, tada skystis, tada dujos.Dvimačiame kristalinės ir skystos fazės atveju yra specialus sluoksnis, vadinamas heksatine faze. Tokioje fazėje sistema neturi kristalinio standumo; joje grotelės, atrodo, trina, "kvėpuoja". Vietoje grotelės atrodo kaip krištolas su defektais, bet jei mes paimame ir stebime atstumą tarp dviejų tolimų šio "ne kristalinio" dalių, tai jis nėra fiksuotas, bet jis gali labai skirtis. Tačiau heksatinė fazė palaiko bendrą grotelių orientaciją: dvi nutolusios grotelės dalys orientuotos į vieną pusę.

1970-ųjų pabaigoje Nelsonas, Halperinas (dviejų matmenų lydymosi teorija) ir jaunimas (lydymosi ir du kumuliacinės dujos dujos) suprato, kad šios sistemos faziniai perėjimai taip pat yra topologinės kilmės. Padidėjus temperatūrai, lenktos kristalinės grotelės atsiranda pjovimo sutrikimai ir dislokacijos (6 pav.). Tai taip pat yra topologiniai defektai, sūkurių analogai tankioje kristalinėje grotelėje. Jie neatrodo atskirai – tai reikalautų per daug energijos – bet sujungtų porų forma. Kai jų yra per daug, poros "atsiskiria" – ir krištolas užpildytas tankiu laisvai judančių svyravimų tinklu.Šiuo momentu sistema pereina nuo kristalinio iki heksatinės fazės.

Pav. 6 Lydymosi procesas dvimačio kietojo disko sistemoje vyksta dviem etapais per tarpinę heksatinę fazę. Paveikslėlis A. Pal ir kt., 2016 m. Stebėkite savaime surinktų mikrolazono polimerų heksadinius fazes

Tačiau kiekvienas dislokavimas iš tiesų yra glaudžiai susijęs pora kitų sunkesnių defektų, disklinacijų. Disklinnas yra pleišto formos grotelių iškraipymas, bet jei dvi priešingos disklinacijos yra arti, jie nesunaikina bendros grotelės orientacijos. Toliau didėjant temperatūrai, tam tikru momentu disklaidų poros išardomos, o tada sistema praranda ir erdvinį, ir orientacinį tvarkymą, ir virsta skysčiu.

Reikėtų pridurti, kad visai neseniai pasirodė, kad "minkštųjų diskų" atveju antrojo etapo perėjimas nėra pakankamai panašus į klasikinį "Kosterlitz-Tauless-Halperin-Nelson-Young" mechanizmą (KTHNY scenarijų), bet panašus į įprastą pirmojo etapo fazinį perėjimą . 2011 m. Atlikus milijoninių dalelių modeliavimą, buvo nustatyta, kad sistemoje gali atsirasti fazių (7 pav.).Tai yra būdingas pirmojo etapo etapo perėjimo fenomenas; Nuotolinis analogas – ledinis kubas, plaukiantis stikline vandens. Kur yra siena tarp šių galimybių, yra klausimas, kuris vis dar tiriamas.

Pav. 7 Modeliavimo sistemos su milijonu dalelių modeliavimo rezultatas. Kai kurių parametrų reikšmių sistemoje erdvinis atskyrimas nuo heksato (kairėje) ir skystas (dešinėjea) etapai – įrodymai pirmosios rūšies faziniam perėjimui. Vaizdas iš lps.ens.fr/~krauth

Pridedamos Nobelio komiteto medžiagos atskleidžia keletą topologinių reiškinių pavyzdžių įvairiose kvantinėse sistemose, taip pat naujausius eksperimentinius darbus dėl jų įgyvendinimo ir ateities perspektyvų. Ši istorija baigiasi 1988 m. Haldane straipsnio citata. Jame, kaip sakydamas pasiteisinimus, sako: "Vis dėlto čia pateiktas konkretus modelis yra fiziškai neįmanomas… ". Po 25 metų žurnalas Gamta paskelbia straipsnių, kuriuose atsispindi eksperimentinis Haldane modelio įgyvendinimas. Galbūt topologiškai netiesiniai reiškiniai kondensuotose medžiagose yra vienas iš ryškiausių neišreikšto kondensuotų medžiagų fizikos šūkio įrodymų: tinkamoje sistemoje mes įtvirtinsime bet kurią savistabą teorinę idėją,tačiau egzotinis gali atrodyti.

Šaltinis: 2016 m. Nobelio premija už fiziką – medžiagos, gautos iš Nobelio premijos laureatų ir jų Nobelio premijos.

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: