Странные дела в плоском мире. За что дали Нобелевскую премию по физике

Номинация: Нобелевская премия по физике
Кто получил: Дэвид Таулесс (1/2 премии), физик, почетный профессор Университета Вашингтона (штат Вашингтон); Дункан Халдейн (1/4 премии), физик, профессор Принстонского университета (штат Нью-Джерси); Майкл Костерлитц (1/4 премии), физик, профессор Брауновского университета (штат Род-Айленд)
За что наградили: За теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи
Что это значит: Теоретическое объяснение сверхпроводимости и сверхтекучести в двумерных системах (очень тонких слоях вещества) в будущем может привести, например, к созданию электроники нового поколения.

Заслуга ученых, которым в этом году присуждена Нобелевская премия по физике, состоит в том, что они сумели теоретически объяснить, как процессы сверхпроводимости или сверхтекучести могут наблюдаться в "плоском мире" — очень тонких слоях вещества, которые можно считать двухмерными (в противовес привычному трехмерному миру, где все имеет ширину, длину и высоту).

Дэвид Таулесс, Дункан Халдейн и Майкл Костерлитц

Таулесс, Халдейн и Костерлитц построили свои теории с помощью раздела математики, который называется топологией (отсюда и фазовые переходы называют топологическими). По сути, это математическое описание свойств пространств, которые находятся в процессе постоянной деформации, но при этом остаются неизменными. Упрощенно это можно объяснить на примере "бублика" и "кружки с ручкой": с точки зрения топологии они не отличаются друг от друга, поскольку имеют по одному отверстию, а значит, их можно "деформировать" друг в друга, не меняя число отверстий. А вот "бублик" в "мячик" — уже нельзя. Точно так же могут быть топологические объекты с двумя, тремя, четырьмя и т. д. отверстиями. Но число отверстий может быть только целым (пол-отверстия или полтора не бывает). Как ни странно, но математические свойства таких объектов помогли объяснить важные и непонятные явления, происходящие в "плоском мире".

Работы, за которые была вручена премия, были написаны в 1970–1980 годах. Экспериментальное подтверждение появилось гораздо позже.

Считается, что теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи в будущем могут помочь созданию новых поколений электроники или даже послужить для создания квантовых компьютеров.

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией в Институте теоретической физики им. Н. Боголюбова НАН Украины

— Нобелевские премии по физике присуждают как за экспериментальные работы, так и за теоретические. В первом случае бывает так, что у работы есть перспективы найти продолжение в прикладной сфере. Но заранее это очень сложно предсказать. Например, открытие высокотемпературной сверхпроводимости было, безусловно, великим событием, но с его внедрением возникли сложности. Другой пример — исследование графена, за которое была вручена премия 2010 года. Здесь ситуация выглядит вроде более оптимистично.

Когда речь идет о теоретических работах, то Нобелевскую премию дают только в том случае, если предсказания теоретиков прошли экспериментальную проверку. Ведь теоретики могут много чего предложить, но теории бывают ошибочными. В случае с лауреатами этого года, их работы уже вошли в тело современной физики, и они имеют прикладное значение.

Первая работа — это открытие явления, которое называется топологическим переходом Костерлитца — Таулесса. Чтобы очень приблизительно объяснить, о чем идет речь, можно для начала вспомнить графен (материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, или, другими словами, одноатомный слой графита. — Фокус). В свое время Ландау и Пайерлс утверждали, что подобные материалы будут разрушаться флуктуациями, поэтому в реальности они существовать не могут. Но оказалось, что графен существует, и это было своего рода переворотом в данной области физики.

В случае с работой, за которую присудили премию в этом году, была похожая ситуация. До определенного момента считалось, что в двухмерных системах невозможны такие явления, как, например, сверхпроводимость или сверхтекучесть. Но Костерлитц и Таулесс придумали такую изящную теоретическую конструкцию, благодаря которой эти явления все же возможны в двух измерениях. И это очень обогатило наши теоретические представления.

Существуют эксперименты, которые показывают, что один слой кристаллической решетки действительно может быть сверхпроводником. Но в отличие от обычного, трехмерного, кристалла сверхпроводимость в нем начинается именно благодаря тому самому переходу Костерлитца —Таулесса.

Важно отметить, что постсоветские физики называют его переходом Березинского — Костерлитца — Таулесса. Как шутливо говорил физик Виталий Гинзбург по поводу своей Нобелевской премии, главная его заслуга в том, что он дожил до нее. А многие выдающиеся ученые не доживают. Так и Вадим Березинский, который, кстати, родился в Киеве, не дожил до сегодняшнего дня (интересно, что в свежей статье в Nature, посвященной Нобелевской премии, его назвали украинским физиком).

Свою работу он написал раньше Костерлитца и Таулесса, и в материалах Нобелевского комитета его имя упоминается. Но, как известно, посмертно Нобелевскую премию не вручают. Если бы он дожил, то весьма вероятно, разделил бы премию с этими двумя учеными.

Это, кстати, пример того, какую апробацию временем должно пройти фундаментальное открытие, чтобы за него дали Нобелевскую премию. Поэтому, когда спрашивают, где же украинская Нобелевская премия, то вот вам пример — сколько можно ждать.

Вторая тема, за которую присудили Нобелевскую премию, связана с квантовым эффектом Холла. Его открыл в 1980 году немецкий физик фон Клитцинг, за что в 1985 году ему дали Нобелевскую премию. Он изучал электропроводность в тонких слоях проводника и заметил, что она не может изменяться плавно, а исключительно скачками. То есть, условно говоря, может приобретать значения "1", "2", "3" и так далее, но никогда не может иметь значение "1,5", "2,8" или любое другое нецелое значение. Это никак не укладывалось в физические теории, известные на тот момент. Значит, нужно было построить новую теорию, что и сделал Таулесс с привлечением такой области математики, как топология.

Надо сказать, что эффект Холла наблюдался в присутствии сильного магнитного поля и очень низких температурах. Считалось, что без магнитного поля этот эффект невозможен. Но Халдейн нашел способ, как реализовать эффект Холла без приложенного магнитного поля. В 2013 году его теория получила экспериментальное подтверждение, а сам Халдейн в этом году получит Нобелевскую премию.

• Читайте также: Клетки-самоеды. Как получить Нобелевскую премию, заставив дрожжи голодать

Само открытие этого эффекта имеет огромное практическое значение. Еще меня в школе учили, что эталон килограмма — это такая гиря, которая хранится в Париже. А эталон электрического сопротивления — это провод, намотанный на катушку. Но это уже давно не так — сейчас есть приборы, которые с огромной точностью позволяют измерять электрическое сопротивление, и работают они на квантовом эффекте Холла. Не имея такого стандарта в современной электронике, невозможно создать ни один прибор.