2016. aasta füüsika Nobel

Kosterlitzi-Thoulessi faasiüleminek, Haldane’i pilu, topoloogilised isolaatorid ja ülijuhid – auhinnast ja selle võitjatest

RAIVO STERN

Selle aasta Nobeli füüsikaauhind määrati tahkiseteoreetikute teadustööle, eelkõige töödele topoloogilistest faasiüleminekutest ja aine topoloogilistest olekutest – nähtustest, mis on aluseks sellistele mateeria eksootilistele olekutele nagu ülijuhid, ülivoolavad vedelikud, õhukesed magnetkiled ja -ahelad. Auhinnatute teadustöö on selgitanud aine käitumist madalatel temperatuuridel ning pakkunud aluse, millelt luua uued materjalid, topoloogilised isolaatorid, mis võiksid muu hulgas võimaldada keerulisemate ja töökindlamate kvantarvutite konstrueerimist.

Olles ise pigem eksperimentaator ja tundes suurt aukartust teoreetikute hiilgavate mõttelendude ees, palusin selle üdini teoreetilise loometöö lihtsat ja arusaadavat kokkuvõtet oma teooriakolleegidelt. Chicagos paikneva Argonne’i riikliku labori eesti päritolu tahkiseteoreetik Ivar Martin võttis selleaastase auhinna olemuse kokku järgmiselt:

„Klassikalist pööriselisust on võimalik jälgida kõikjal – vee äravool vannist, keerised kiiresti voolavate jõgede kallaste juures või siis hoopis suuremal skaalal – tornaadod, orkaanid ja Jupiteri suur punane laik. Pööriselisus teeb võimalikuks vees ujumise ja lennuki lendamise, kuid samuti piirab meie autode kütusesäästlikkust. Selle aasta Nobeli preemia anti teoreetilise läbimurde eest pööriste mõistmises vähimal looduses leiduval skaalal, mille omadusi kontrollib kvantmehaanika. Erinevalt nende klassikalistest kolleegidest, millised võivad olla kas tugevad või nõrgad või hoopis midagi vahepealset, on kvantpöörised elementaarobjektid, mida ei saa edasi väiksemaks jagada, saab ainult hävitada, kombineerides neid antipööristega, paljus sellesarnaselt, nagu elektroni saab hävitada selle ühendamisel positroniga. Olles nii jõulised, kontrollivad pöörised materjalide kvantomadusi, üpris samal moel nagu klassikalisi omadusi, näiteks jäikust või värvi, kontrollivad aatomite tüübid, millest need materjalid on valmistatud. Väärib märkimist, et pööriste robustsuse juured ulatuvad topoloogiasse, matemaatika harusse, mis uurib muu hulgas sõõrikute ja apelsinide vahelisi erinevusi.“

Seega on vaieldamatult tegu põhjapaneva panusega tänapäevasesse maailmamõistmisesse, mis premeeritud teooriast jõuab üha kiiremini eksperimentidesse ja on juba mitme rakenduse aluseks. Meid ümbritsevate materjalide käitumine on äärmiselt keeruline – just füüsika ülesandeks on leida ja sõnastada lihtsad põhimõtted, mille abil saaksime materiaalset maailma mõista ning uusi nähtusi ennustada. See on tõsiselt raske ülesanne, kuna tavapärases ainetükikeses võib sisalduda miljardeid-miljardeid aatomeid, mis on kõik omavahelises vastas­mõjus.

Nüüd siis ka laureaatidest. Kõik kolm on täisealised meesfüüsikud, kõik sündinud Suurbritannias ja praeguseks töötanud pikka aega Ameerika Ühendriikides.

David J. Thouless (82), sündinud 21. IX 1934 Suurbritannias Bearsdenis. PhD 1958. a Cornelli ülikoolist (Ithaca, NY, USA). Washingtoni ülikooli emeriitprofessor (Seattle, WA, USA).

J. Michael Kosterlitz (74), sündinud 22. VI 1942 Suurbritannias Aberdeenis. PhD 1969. a Brasenose’i kolledžist (Oxford, UK). Praegu Harrison E. Farnsworthi füüsikaprofessor Browni ülikoolis (Providence, RI, USA).

F. Duncan M. Haldane (65), sündinud 14. IX 1951 Suurbritannias Londonis. PhD 1978. a Cambridge’i ülikoolist (UK). Praegu Eugene Higginsi füüsikaprofessor Princetoni ülikoolis (NJ, USA).

Kosterlitz, Thouless ja Haldane ilmutasid erakordset leidlikkust, kuna suutsid näidata, et suurt klassi reaalseid aineid, iseäranis aatomite õhukesi kilesid ja ahelaid, saab mõista topoloogia lihtsate matemaatiliste põhimõtete kaudu – selle järgi, kuidas aatomid omavahel on ühendatud (topoloogiliselt on sõõrik ja teetass identsed, mõlemas on üks auk). Topoloogiliste kontseptsioonide kasutamine füüsikas oli nende avastusteks otsustava tähtsusega. Topoloogias muutuvad omadused mitte pidevalt, vaid diskreetselt, astmeliselt või lausa hüppeliselt. Kasutades topoloogia tööriistu lahendamata füüsikaprobleemide seletamisel suudeti oma uute tulemustega panna ka kogenud asjatundajad sügavalt hämmastuma.

1970. aastate algupoolel pöörasid Kosterlitz ja Thouless täielikult pea peale seni kehtinud teooria, et õhukestes kiledes ei saa tekkida ei ülijuhtivust ega ülivoolavust. Nad demonstreerisid, et ülijuhtivuse tekkeks võib piisata küllalt madalast temperatuurist ning selgitasid ka mehhanismi – faasiüleminekut, nn KT-siiret, mis viib ülijuhtivuse kadumisele kõrgematel temperatuuridel. Eksperimentaalselt jälgiti KT-siiret ülivoolavas He-4 vedelikus 1978. aastal ja ülijuhtivates õhukestes kiledes 1981. aastal. Veelgi värskemalt, 2006. aastal, tõendati KT-siire rubiidiumi aatomite ülikülmas lamedaks litsutud pilves.

1980ndatel oli Thouless võimeline seletama saksa füüsiku Klaus von Klitzingi varem tehtud eksperimente pooljuhtide vahele surutud väga õhukeste elektrijuhtidest kiledega tugevas magnetväljas, kus magnetvälja muutmisel mõõdeti juhtivuse muutumine täpselt konstandi e2/h täisarvuliste sammudega. Thouless tõestas, et need täisarvud on olemuselt topoloogilised ja pakkus 1983. aastal välja, et von Klitzingi eksperimendi elektronid olid moodustanud topoloogilise kvantvedeliku. Umbes samal ajal avastas Haldane, kuidas kasutada topoloogilisi kontseptsioone teatud materjalides leiduvate magnetahelate omaduste mõistmiseks. Von Klitzing sai oma eksperimendi eest Nobeli füüsikaauhinna 1985. aastal. 1988 esitas Haldane hüpoteesi, et elektronid võiksid moodustada topoloogilise kvantvedeliku ka ilma magnetväljata. Selline olukord saavutati eksperimentaalselt 2013. aastal kroomiga dopeeritud (Bi,Sb)2Te3 materjalis, mis oli kvantanomaalse Halli efekti nime all tuntud oleku esmane vaatlus.

Alates 2005. aastast hakkasid füüsikud püüdlema topoloogiliste isolaatorite loomise poole, millel oleksid mitme eri maailma parimad küljed. Need juhiksid oma servadel ja tahkudel elektrit ilma magnetvälja vajamata ning boonusena jaotaksid elektronide liikluse spinni väärtusega määratud radadele. Praeguseks tunneme hulgaliselt topoloogilisi olekuid mitte ainult õhukestes kiledes või ahelates, aga ka tavalistes kolmemõõdulistes materjalides. Viimase kümnendi jooksul on see valdkond võimendanud eesliiniteadust tahkisefüüsikas, ja seda mitte ainuüksi lootuses, et topoloogilisi materjale saaks kasutada elektroonika ja ülijuhtide uutes põlvkondades või tulevastes kvantarvutites. Tänapäevateadus jätkab mateeria saladuste avamist selle aasta Nobeli laureaatide avastatud eksootilistes maailmades.

On mõnevõrra imekspandav, miks meie füüsikaüldsus on auhindade selleaastast omistamist jälginud pea samasuguse mõistmatuse, koguni ehk pahameelegagi nagu luuletajad ja kirjandushuvilised kirjandusauhinna andmist muusik Bob Dylanile. Viimasel juhul võib üheks selgituseks olla tema laulutekstide vähene poeetilisus ja ehk ka originaalis võõramaalastele sügavama sisu mõistmatuks jäämine. Ingliskeelses maailmas on aga just Dylani luuleread ühed armastatumad teadustööde pealkirjadesse peidetud laenud – teadusajakirja Science värsketel andmetel lausa rohkem kui 700 korral. Füüsika puhul oli kindlasti paljudel ootus, et auhind antakse LIGO teadusrühmale (LIGO Scientific Collaboration, LSC), kes teatas oma gravitatsioonilainete avastusest 11. veebruaril. Kindlasti ei jää auhind ka neile tulemata, aga tahkisefüüsika tunnustamine osakeste- ja kõrge energia auhindade vahele tundub igati kohane ja õiglane.

Kuidas siis Eestis arendatav füüsika ja materjaliteadus värskete laureaatide loominguga seostub? Õhukeste kilede, osaliselt ka magnetiliste, sünteesi ja uurimisega tegelevad Tartu ülikooli füüsikud, keemikud ja materjaliteadlased, Tallinna tehnikaülikooli energiamaterjale arendatakse samuti üha õhemate prototüüpide suunas. Otse kvantarvutite konstrueerimisest Eestis pole ma teadlik, aga keemilise ja bioloogilise füüsika instituut Tallinnas on oma eksperimentaaluuringutega maailmas märgataval ja tunnustatud tasemel nii kvantmaterjalide, multiferroidide kui ka magnetmaterjalidega. Lähieesmärk on ka need viia õhukeste kilede vormi – seda juba värske teaduse tippkeskuse raames koos ülikoolide kolleegidega.

Võiksime jagada ka meie lähipiirkonna tuntuima tehnikaülikooli – Aalto ülikooli varjamatut uhkust, kuivõrd Michael Kosterlitz võttis Nobeli auhinnast teada andnud telefonikõne vastu mitte koduses Browni ülikoolis, vaid Aalto ülikoolis Espoos, kus kõnealune juba pikemat aega on külalisteadlasena koos kohalike töörühmadega teadust teinud. Kui sel kombel auhinnale vaadata, siis on see peaaegu meie kodune füüsika Nobel.

Topoloogias muutuvad omadused mitte pidevalt, vaid diskreetselt, astmeliselt või lausa hüppeliselt, nagu aukude arv pildil toodud objektidel. Topoloogiliselt on sõõrik ja teetass identsed, sest mõlemas on üks auk. Kosterlitz, Thouless ja Haldane ilmutasid erakordset leidlikkust, kuna suutsid näidata, et suurt klassi reaalseid aineid, iseäranis aatomite õhukesi kilesid ja ahelaid, saab mõista topoloogia lihtsate matemaatiliste põhimõtete kaudu, kus elektriniline juhtivus muutub täpselt konstandi e2/h täisarvuliste sammudega.

Topoloogias muutuvad omadused mitte pidevalt, vaid diskreetselt, astmeliselt või lausa hüppeliselt, nagu aukude arv pildil toodud objektidel. Topoloogiliselt on sõõrik ja teetass identsed, sest mõlemas on üks auk. Kosterlitz, Thouless ja Haldane ilmutasid erakordset leidlikkust, kuna suutsid näidata, et suurt klassi reaalseid aineid, iseäranis aatomite õhukesi kilesid ja ahelaid, saab mõista topoloogia lihtsate matemaatiliste põhimõtete kaudu, kus elektriniline juhtivus muutub täpselt konstandi e2/h täisarvuliste sammudega.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming