Nobelio fizikos premijos vertas atradimas atveria kelius naujoms medžiagų būsenoms

Nobelio fizikos premiją pasidalijo trys JAV mokslininkai: Deividas Taulesas (Davidas J. Thoulessas), Dankanas Holdeinas (Duncan Haldan) ir Maiklas Kosterlitcas (Michael Kosterlitz) už atrastus topologinius fazinius virsmus medžiagoje. Mokslininkai pasiūlė modelius, kaip šie virsmai galėtų pasireikšti.

Neįprastųjų medžiagos fazių, tokių kaip superlaidumas, supertakumas ir ploni magnetiniai sluoksniai, tyrimams JAV mokslininkai panaudojo modernius matematinius metodus. Jau šiandien Nobelio premijos laimėtojų darbai skatina naujų egzotiškų medžiagos fazių paieškas, suteikiančias daug vilčių ateities taikymams medžiagotyroje ir elektronikoje.

Šiuo metu žinoma daugybė topologinių fazių, atsirandančių ne tik plonuosiuose sluoksniuose bei gijose, bet ir įprastose trimatėse medžiagose. Per pastarąjį dešimtmetį ši sritis paskatino priešakinius kondensuotųjų medžiagų fizikos tyrimus, viliantis, kad topologinės medžiagos galės būti panaudotos naujos kartos elektronikoje ir superlaidininkuose ar ateities kvantiniuose kompiuteriuose.

Anot Fizikos fakulteto Teorinės fizikos katedros profesoriaus Egidijaus Anisimovo, laureatų nuopelnas yra teorinis numatymas, kad medžiagoje gali įvykti vadinamasis topologinis fazinis virsmas. Dėl jo ties medžiagos kraštu atsiranda būsenos, kurios perneša srovę ir kurių tiesiog neįmanoma sustabdyti.

Mokslininkas paaiškina, kad žodžiai „topologinis“ ir „topologija“ dažnai linksniuojami šiuolaikinėje teorinėje fizikoje. Pavyzdžiui, riestainis turi skylę, o rutulys – ne. Riestainį galima pririšti, o nuo rutulio raištis nuslys. Taigi šie daiktai skiriasi topologiškai.

„Paprasčiausias topologinės fazės pavyzdys – kvantinis Holo efektas. Jis pasireiškia tik esant labai stipriems magnetiniams laukams, o tai dažnai nepraktiška. Garsusis F. Dankano M. Holdeino modelis siūlo, kaip sukurti topologines fazes be stipraus magnetinio lauko“, – sako profesorius.

Vadinamuosiuose topologiniuose izoliatoriuose, kurie laikomi vienu egzotinių medžiagos fazių pavyzdžių, dėl topologinio fazinio virsmo atsiranda laidžios paviršinės būsenos, nejautrios priemaišoms. Jos ateityje gali būti labai svarbios taikymams, nes daugelis mūsų prietaisų veikia valdomi sumanių srovių.

„Minėti teoriniai atradimai jau realizuojami eksperimentuose, atliekamuose pasinaudojant šaltųjų atomų sistemose esančiomis optinėmis gardelėmis. Šaltieji atomai gali būti labai efektyviai valdomi, daug geriau nei elektronai įprastinėse medžiagose. Optinė gardelė – tai šviesos sukurtas periodinis potencialas, išrikiuojantis šaltuosius atomus į tvarkingą gardelę. Dėl platesnių valdymo galimybių optinės gardelės savo savybėmis pralenkia gamtoje esančias periodines struktūras – kristalus“, – paaiškina prof. E. Anisimovas.

Šaltųjų atomų laboratorijose mokslininkai ilgą laiką bandė realizuoti šiuos topologinius fazių virsmus. Pernai jiems pavyko tai padaryti, bet Nobelio premija paskirta mokslininkams teoretikams. VU fizikas tuo stebisi, nes, pasak jo, Nobelio premijos komitetui toks žingsnis nebūdingas.

VU mokslininkai bendradarbiauja su kolegomis iš užsienio, kurie dirba šaltųjų atomų kontrolės srityje ir bando realizuoti topologines medžiagų būsenas. Palaikomi ryšiai su profesoriaus Immanuelio Blocho vadovaujama mokslininkų grupe iš Maxo Plancko kvantinės optikos instituto, taip pat su tyrėjais iš NIST (National Institute of Standard and Technology, JAV), Hamburgo ir kitų grupių. VU Teorinės fizikos ir astronomijos institute teoriškai tiriamas šaltųjų atomų valdymas. Šiuo metu šia tema vykdomi trys Lietuvos mokslo tarybos konkursiniai projektai, skirti bendradarbiauti su Vokietijos, JAV ir Taivano mokslininkais, bei Marie Curie stipendijos finansuojama stažuotė.