Nobelova cena za fyziku 2016

Nobelova cena za fyziku v roce 2016 byla udělena Davidu Thoulessovi, Duncanu Haldanovi a Michaelu Kosterlitzovi za teoretické objevy topologických fázových přechodů a topologických stavů hmoty. Topologie je odvětví matematiky, které klasifikuje tělesa podle toho, zda mohou být na sebe převedena spojitými transformacemi. Topologicky různé objekty jsou ty, které na sebe nemůžeme spojitě deformovat. Topologické třídy jsou charakterizovány přirozenými čísly, která hrají v topologii významnou roli. Například, kopací míč si zachová topologické vlastnosti, i když jej zmáčkneme nebo do něj kopneme. Ale nikdy se nám nepodaří jej postupně deformovat do tvaru pneumatiky. To bychom museli do něj udělat díru a volné konce slepit. To by byl příklad topologického fázového přechodu.

Krystalická pevná látka se může nacházet ve fázích, charakterizovaných různými hodnotami fyzikálních charakteristik. Například, železo je při pokojové teplotě magnetické, ale po zahřátí nad určitou teplotu magnetismus mizí. Tento přechod z magnetického do nemagnetického stavu je fázovým přechodem. Kromě takových běžných fází se ale mohou krystaly ještě vyskytovat také v různých topologických stavech. Tyto stavy se makroskopicky neprojevují tak nápadně jako magnetismus, přesto nejsou na sebe spojitě převoditelné, a tudíž svým způsobem chráněné. Například, topologický stav v sloučenině kadmia, rtuti a teluru, která je obecně nevodivá, se projevuje existencí bezztrátových povrchových proudů. Proudovým ztrátám zabraňuje právě topologický charakter povrchových stavů. V pevných látkách existují ještě další topologické stavy jako jsou kvantový a spinový Hallův jev. Topologické stavy se vyskytují dokonce v akustice a optice, kde zvukové nebo elektromagnetické vlny se mohou šířit bezztrátově po povrchu.

M. Kosterlitz a D. Thouless byli první, kteří radikálně změnili naše chápání supravodivosti, když v sedmdesátých letech minulého století předpověděli a vysvětlili existenci povrchové supravodivosti, která podle tehdy existující teorie se zdála nemožná. Později ještě D. Thouless vysvětlil experimenty s tenkými kovovými vrstvami, kde vodivost se mění ve skocích, tak zvaný kvantový Hallův jev (oceněn Nobelovou cenou v roce 1985), tím, že jde o projev topologických stavů. Přibližně ve stejné době D. Haldane vysvětlil pomocí topologických úvah vlastnosti řetízků atomárních magnetů. Mimo to také předpověděl existenci topologického stavu, kvantového Hallova jevu v krystalických polovodičích bez působení vnějšího magnetického pole. Tento jev byl později experimentálně zjištěn.

Letošní Nobelova cena ocenila přínos laureátů k fundamentálnímu rozšíření našich znalostí mikroskopické struktury pevných látek a objevu jejich nových, ne jednoduše zjistitelných stavů. Získané poznatky otevírají nové možnosti jejich využití v elektronice, kde bezztrátové povrchové proudy mohou přenášet náboj, spin, nebo informaci s mnohem menšími energetickými nároky. Současně se intenzivně pracuje na využití těchto jevů při konstrukci budoucích kvantových počítačů.