פרס נובל לפיזיקה למגלי המצבים “המוזרים” של החומר

לתגלית של שלושת החוקרים האמריקנים יש השלכה חשובה גם על תחום האלקטרוניקה משום שאחד מהמצבים הללו הוא על מוליכות

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2016 הוענק לשלושה חוקרים אמריקאים על גילוי מופעים טופולוגיים.

האקדמיה למדעים השבדית המלכותית החליטה להעניק את פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2016, כאשר מחציתו מוענקת לחוקר דיויד ג’ תאולס (David J. Thouless), מאוניברסיטת וושינגטון בסיאטל ארה”ב; ומחציתו השנייה לשני חוקרים: דאנקן הלדין (F. Duncan M. Haldane) מאוניברסיטת פרינסטון ארה”ב והחוקר מייקל קוסטרליץ (J. Michael Kosterlitz) מאוניברסיטת בראון. הפרס מוענק על “התגליות התיאורטיות של מעברים בין מופעים טופולוגיים ומופעים טופולוגיים של החומר”.

גילוי הסודות של חומרים יוצאי דופן

חתני פרס הנובל לפיזיקה לשנה זו פתחו את הדלת לעולם בלתי ידוע שבו החומר יכול להימצא במצבים מוזרים. הם השתמשו בשיטות מתמטיות מתקדמות על מנת לחקור את המופעים, או המצבים, הבלתי רגילים של החומר, כגון על-מוליכים, על-נוזלים או שכבות מגנטיות דקיקות. תודות לעבודתם החלוצית, מתחיל עכשיו המצוד אחר מצבים יוצאי דופן וחדשים של החומר. חוקרים רבים מייחלים לפיתוחם של יישומים עתידיים הן במדעי החומרים והן בתחומי האלקטרוניקה בעקבות גילויים אלו.

השימוש של שלושת חתני הפרס במושגים טופולוגיים בפיזיקה היה צעד מכריע בהשגת תגליותיהם. טופולוגיה מהווה ענף במתמטיקה המתאר תכונות המשתנות באופן הדרגתי בלבד, שלב אחר שלב. השימוש בטופולוגיה בתור כלי אפשר לזוכים בפרס הנובל להדהים אפילו את המומחים בתחומם. בשנות השבעים המוקדמות של המאה הקודמת, החוקרים מייקל קוסטרליץ ודיויד תאולס הפריכו את התיאוריה כי על-מוליכות או על-נוזליות אינה יכולה להתרחש בשכבות דקיקות. הם הראו כי על-מוליכות יכולה להתרחש בטמפרטורות נמוכות וגם הסבירו את המנגנון (מעבר מופעים) הגורם לעל-המוליכות להיעלם בטמפרטורות גבוהות יותר.

בשנות השמונים, תאולס הצליח להסביר ניסוי מוקדם יותר שבו שכבות דקיקות במיוחד הוליכו חשמל כאשר המוליכות נמדדה במדויק בתור שלבים בדידים או שלמים. הוא הראה כי צעדים אלו היו טופולוגיים באופיים. בערך באותה תקופה, דאנקן הלדין גילה כיצד רעיונות טופולוגיים ניתנים לשימוש בכדי להבין את התכונות של שרשראות של מגנטים קטנים שנמצאו בחומרים מסוימים.

כיום אנו מכירים מופעים טופולוגיים רבים, לא רק בשכבות דקיקות ובחרוזים, אלא גם בחומרים תלת-ממדיים רגילים. במהלך העשור האחרון, תחום מחקר זה פרץ את כל הגבולות בענף הפיזיקה של החומר המעובה, לפחות בזכות התקווה כי חומרים טופולוגיים יוכלו לשמש בפיתוח דור חדש של רכיבי אלקטרוניקה ועל-מוליכים, או בתחום העתידי של מחשבים קוונטיים. המחקר הנוכחי בתחום זה חושף את הסודות האצורים בתוך חומרים יוצאי דופן שהתגלו על ידי שלושת חתני פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2016.