Wow: le nobel au lieu des ondes gravitationnelles a été donné pour la topologie
"La topologie, c'est le destin", a-t-il dit, et a tiré sur les tiroirs. D'abord sur une jambe, puis sur l'autre.
- Neil Stevenson
Début octobre, Stogkolm, en Suède, a annoncé des prix Nobel de physique. Le prix de la contribution au développement de cette science a été immédiatement reçu par trois scientifiques britanniques: David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz pour «découvertes théoriques des transitions de phases topologiques et des phases topologiques de la matière». Les physiciens étaient bouleversés, car tout le monde croyait que le prix irait à divers membres de la collaboration LIGO, qui ont annoncé cette année les premières ondes gravitationnelles découvertes, dont la source était la fusion des trous noirs. Cette année, le comité Nobel a pris le côté pratique et récompensé des scientifiques qui ont développé une méthode pour créer des «trous» ou défauts contrôlés dans les états mécaniques quantiques de la matière appelés condensats.Leur étude a conduit à une percée dans la science des matériaux et la physique de la matière condensée, et promet une révolution dans l'électronique. Pour la 24e année consécutive, le prix a été décerné à un groupe de personnes, et pour la 53e année consécutive, seuls les hommes ont reçu le prix.
L'univers peut être étudié de deux côtés: il y a la théorie générale de la relativité d'Einstein, qui contrôle la gravité et l'évolution de l'espace-temps, et il y a la mécanique quantique, qui contrôle trois autres forces fondamentales et toutes les interactions, phases et propriétés de la matière. La communauté physique a discuté avec joie de la première découverte des ondes gravitationnelles, prédit depuis longtemps par la théorie d'Einstein, et a découvert cette année - et à cette époque, d'autres découvertes étonnantes, percées et travaux pratiques ont été réalisés dans le domaine de la création de nouveaux états de la matière. La plupart des gens connaissent les trois états de la matière - solide, liquide et gazeux, mais il y en a un quatrième qui apparaît lorsque le gaz est chauffé très fortement: le plasma. Et vice versa, dans la nature, pour certains types de substances, il existe un autre état qui se produit lors d'un refroidissement intense: le condensat.Contrairement à d'autres états, les condensats présentent des propriétés uniques qui ne se trouvent nulle part ailleurs dans la nature.
La physique quantique a révolutionné nos visions du monde et nous a enseigné ce qui suit:• La nature est discrète et non continue et se compose de particules fondamentales individuelles, les quanta.• Les quantums ont des propriétés inhérentes qui ne peuvent pas être modifiées: rotation, charge électrique, charge de couleur, arôme, etc.• Lors de la création de systèmes composites, de nouvelles propriétés apparaissent - par exemple, le moment angulaire orbital, l'isospin et les dimensions physiques non nulles.Mais l'un des points intéressants est le fait que ces propriétés des particules et leur interaction peuvent se manifester d'une manière complètement différente si vous les limitez à deux dimensions - une surface plane - au lieu de trois.
Pendant longtemps, on a cru que la supraconductivité et la superfluidité, deux propriétés de certaines substances, se manifestant à basses températures et exprimées respectivement par une résistance et une viscosité zéro, ne fonctionnent que dans des matériaux tridimensionnels. Mais dans les années 1970, Michael Kosterlitz et David Thouless ont découvert non seulement que ces propriétés peuvent apparaître dans des couches bidimensionnelles, mais aussi un mécanisme de transition de phase, grâce auquel la supraconductivité disparaît à des températures suffisamment élevées. Avec une diminution du nombre de degrés de liberté et de mesures, forces et interactions, les systèmes de mécanique quantique deviennent plus faciles à étudier. Les équations complexes pour trois dimensions sont simplifiées pour deux. Pour les équations dont la solution pour trois dimensions n'est pas trouvée, il existe une solution pour deux.
De nombreuses particules, quasiparticules et systèmes de particules se comportent comme des «défauts topologiques», semblables à des «trous» (pour un défaut à 0 dimension) ou à des «cordes» (pour un défaut à 1 dimension), traversant un espace à deux ou trois dimensions. . En appliquant la topologie à ces systèmes à basse température, on peut prédire de nouveaux états topologiques de la matière.
À des températures extrêmement basses, les défauts topologiques dans les systèmes condensés bidimensionnels s'associent souvent, ce qui n'est pas observé à des températures élevées.La nature de la transition des états à basse température (où les paires de vortex se forment) à haute température (où les paires deviennent indépendantes) obéit aux règles de transition de Kosterlitz-Thouless. La combinaison de la physique quantique avec la topologie conduit au fait que de nombreux processus physiques intéressants se produisent discrètement, par étapes. La conductivité du matériau mince se produit par étapes. Les chaînes de petits aimants se comportent topologiquement. Les règles de transition de phase s'appliquent également à tous les matériaux en deux dimensions. Dans les années 1980, Kosterlitz a découvert des connexions de conductivité et Duncan Haldane a découvert les propriétés topologiques des chaînes de petits aimants. Et bien que l'application de ces propriétés s'étende à d'autres domaines de la physique - mécanique statistique, physique atomique et, nous l'espérons, s'étendra bientôt à l'électronique et aux ordinateurs quantiques - physique,expliquant le comportement discret de la matière dans des dimensions plus petites, fonctionne selon les mêmes règles topologiques que tout système mathématique.
, ,Ces nouvelles propriétés ne peuvent se manifester qu'à basses températures ou dans des champs magnétiques très forts, mais cela ne les rend pas moins fondamentales que les propriétés habituellement observées. L'effet Hall quantique, le fait que les aimants quantiques «entiers» soient topologiques et «demi-entiers» ne le sont pas, et que vous pouvez déterminer les propriétés d'un aimant quantique en examinant ses facettes, est devenu la raison pour laquelle notre trinité reçoit un prix. Sur la base de leurs recherches, de nouveaux types de substances inattendus ont été découverts, y compris des propriétés topologiques, qui apparaissent également dans des matériaux tridimensionnels. Les diélectriques topologiques, les supraconducteurs topologiques et les métaux topologiques sont activement étudiés aujourd'hui et peuvent potentiellement révolutionner l'électronique et la technologie informatique dès qu'ils peuvent être contrôlés.
Alfred Nobel, lors de la création du prix Nobel, a décidé qu'il devrait être attribué aux découvertes responsables du "plus grand bénéfice pour l'humanité". Et cette science est non seulement prouvée, mais elle est déjà tout à fait en train de changer nos vies. Et bien qu'il existe un grand nombre d'équipes, de personnes et de découvertes dignes, le Nobel de cette année nous rappelle les deux principales raisons pour lesquelles nous développons la science fondamentale: la connaissance et les avantages sociaux pour l'humanité. Cette année, un regard sur le passé sur les découvertes étonnantes de la matière dans des conditions extrêmes montre à quel point nos connaissances ont progressé. Un regard vers l'avenir pour l'application de ces découvertes nous incite à rechercher de nouvelles générations de technologies quantiques. Un avenir incertain dépend de nous.Source: https://habr.com/ru/post/fr398395/
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