Wow: Für die Topologie wurde Nobel anstelle von Gravitationswellen angegeben
"Topologie ist Schicksal", sagte er und zog Schubladen. Erst auf einem Bein, dann auf dem anderen.
- Neil Stevenson
Anfang Oktober Stogkolme, Schweden, wurden erklärt Nobelpreisträger in Physik. Drei britische Wissenschaftler: David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für "theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen der Materie" erhielten eine Auszeichnung für ihren Beitrag zur Entwicklung dieser Wissenschaft. Die Physiker waren verärgert, weil alle glaubten, dass der Preis an verschiedene Mitglieder der LIGO-Kollaboration gehen würde, die dieses Jahr die ersten entdeckten Gravitationswellen ankündigten, deren Quelle die Fusion von Schwarzen Löchern war. In diesem Jahr nahm das Nobelkomitee die praktische Seite ein und zeichnete Wissenschaftler aus, die eine Methode zur Erzeugung kontrollierter „Löcher“ oder Defekte in den quantenmechanischen Zuständen von Materie entwickelten, die als Kondensate bekannt sind.Ihre Studie führte zu einem Durchbruch in der Materialwissenschaft und der Physik der kondensierten Materie und verspricht eine Revolution in der Elektronik. Zum 24. Mal in Folge wurde die Auszeichnung an eine Gruppe von Personen vergeben, und zum 53. Mal in Folge haben nur Männer die Auszeichnung erhalten.
Das Universum kann von zwei Seiten untersucht werden: Es gibt die Einstein-Allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft und die Entwicklung der Raum-Zeit steuert, und die Quantenmechanik, die drei andere fundamentale Kräfte und alle Wechselwirkungen, Phasen und Eigenschaften der Materie steuert. Die physische Gemeinschaft diskutierte freudig die erste Entdeckung von Gravitationswellen, die Einsteins Theorie lange vorhergesagt hatte, und fand sie in diesem Jahr - und zu dieser Zeit wurden andere erstaunliche Entdeckungen, Durchbrüche und praktische Arbeiten auf dem Gebiet der Schaffung neuer Materiezustände gemacht. Die meisten Menschen kennen die drei Zustände der Materie - fest, flüssig und gasförmig, aber es gibt einen vierten, der auftritt, wenn das Gas sehr stark erhitzt wird: Plasma. Und umgekehrt gibt es in der Natur für einige Arten von Substanzen einen anderen Zustand, der während einer starken Abkühlung auftritt: Kondensat.Im Gegensatz zu anderen Staaten weisen Kondensate einzigartige Eigenschaften auf, die sonst nirgendwo in der Natur zu finden sind.
Die Quantenphysik hat unsere Sicht auf die Welt revolutioniert und uns Folgendes gelehrt:• Die Natur ist diskret, nicht kontinuierlich und besteht aus einzelnen fundamentalen Teilchen, Quanten.• Quanten haben inhärente Eigenschaften, die nicht geändert werden können: Spin, elektrische Ladung, Farbladung, Aroma usw.• Bei der Erstellung von Verbundsystemen zeigen sich neue Eigenschaften, z. B. der Drehimpuls der Umlaufbahn, Isospin und physikalische Dimensionen ungleich Null.Einer der interessanten Punkte ist jedoch die Tatsache, dass sich diese Eigenschaften von Partikeln und ihre Wechselwirkung auf völlig andere Weise manifestieren können, wenn Sie sie auf zwei Dimensionen - eine flache Oberfläche - anstatt auf drei beschränken.
Lange Zeit wurde angenommen, dass Supraleitung und Superfluidität, zwei Eigenschaften bestimmter Substanzen, die sich bei niedrigen Temperaturen manifestieren und in Nullwiderstand bzw. Nullviskosität ausgedrückt werden, nur in dreidimensionalen Materialien funktionieren. In den 1970er Jahren entdeckten Michael Kosterlitz und David Thouless nicht nur, dass diese Eigenschaften in zweidimensionalen Schichten auftreten können, sondern auch einen Phasenübergangsmechanismus, aufgrund dessen die Supraleitung bei ausreichend hohen Temperaturen verschwindet. Mit abnehmender Anzahl von Freiheitsgraden und Messungen, Kräften und Wechselwirkungen werden quantenmechanische Systeme leichter zu untersuchen. Komplexe Gleichungen für drei Dimensionen werden für zwei vereinfacht. Für Gleichungen, deren Lösung für drei Dimensionen nicht gefunden wird, gibt es eine Lösung für zwei.
Viele Partikel, Quasiteilchen und Partikelsysteme verhalten sich wie „topologische Defekte“, ähnlich wie „Löcher“ (für einen 0-dimensionalen Defekt) oder „Strings“ (für einen eindimensionalen Defekt), die durch einen zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum verlaufen . Wenn man die Topologie auf diese Niedertemperatursysteme anwendet, kann man neue topologische Zustände der Materie vorhersagen.
Bei extrem niedrigen Temperaturen paaren sich häufig topologische Defekte in zweidimensionalen kondensierten Systemen, was bei hohen Temperaturen nicht beobachtet wird.Die Art des Übergangs von Niedertemperaturzuständen (bei denen sich Wirbelpaare bilden) zu Hochtemperaturzuständen (bei denen Paare unabhängig werden) folgt den Kosterlitz-Thouless-Übergangsregeln. Die Kombination von Quantenphysik mit Topologie führt dazu, dass viele interessante physikalische Prozesse schrittweise diskret ablaufen. Die Leitfähigkeit des dünnen Materials erfolgt schrittweise. Ketten kleiner Magnete verhalten sich topologisch. Die Phasenübergangsregeln gelten für alle Materialien in zwei Dimensionen gleichermaßen. In den 1980er Jahren entdeckte Kosterlitz Zusammenhänge in der Leitfähigkeit, und Duncan Haldane fand die topologischen Eigenschaften von Ketten kleiner Magnete. Und obwohl sich die Anwendung dieser Eigenschaften auf andere Bereiche der Physik erstreckt - statistische Mechanik, Atomphysik und hoffentlich bald auch auf Elektronik und Quantencomputer - Physik,Die Erklärung des diskreten Verhaltens von Materie in kleineren Dimensionen funktioniert nach denselben topologischen Regeln wie jedes mathematische System.
, ,Diese neuen Eigenschaften können sich nur bei niedrigen Temperaturen oder in sehr starken Magnetfeldern manifestieren, was sie jedoch nicht weniger grundlegend macht als die normalerweise beobachteten Eigenschaften. Der Quanten-Hall-Effekt, die Tatsache, dass „ganze“ Quantenmagnete topologisch sind, „halbe Ganzzahlen“ jedoch nicht, und dass Sie die Eigenschaften eines Quantenmagneten durch Untersuchung seiner Facetten bestimmen können, ist der Grund für den Erhalt des Preises durch unsere Dreifaltigkeit. Basierend auf ihren Forschungen wurden neue, unerwartete Arten von Substanzen entdeckt, einschließlich topologischer Eigenschaften, die auch in dreidimensionalen Materialien auftreten. Topologische Dielektrika, topologische Supraleiter und topologische Metalle werden heute aktiv untersucht und können möglicherweise die Elektronik und Computertechnologie revolutionieren, sobald sie gesteuert werden können.
Alfred Nobel entschied bei der Schaffung des Nobelpreises, dass er für Entdeckungen gegeben werden sollte, die für "den größten Nutzen für die Menschheit" verantwortlich sind. Und diese Wissenschaft ist nicht nur bewiesen, sondern befindet sich bereits auf dem Weg, unser Leben zu verändern. Und obwohl es eine große Anzahl würdiger Teams, Menschen und Entdeckungen gibt, erinnert uns der diesjährige Nobelpreis an die beiden Hauptgründe, warum wir die Grundlagenforschung entwickeln: Wissen und soziale Vorteile für die Menschheit. In diesem Jahr zeigt ein Blick in die Vergangenheit, welche erstaunlichen Dinge über Materie unter extremen Bedingungen entdeckt wurden, wie weit unser Wissen fortgeschritten ist. Ein Blick in die Zukunft für die Anwendung dieser Entdeckungen inspiriert uns, nach neuen Generationen von Quantentechnologien zu suchen. Eine ungewisse Zukunft hängt von uns ab.Source: https://habr.com/ru/post/de398395/
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