دستاورد برندگان نوبل فیزیک ۲۰۱۶ چه بود؟
- مجموعه: گزارشهای علمی
جایزه نوبل ۲۰۱۶ در رشته فیزیک به سه دانشمند بریتانیایی اعطاء شد. آنان فعالیت هائی نظری پیرامون حالات عجیب ماده از قبیل ابررسانایی، ابر سیالات و پوسته های مغناطیسی نازک انجام داده‌اند. این جایزه بصورت مشترک به دیوید جی تولس از دانشگاه واشنگتن، دانکن ام هالدین از دانشگاه پرینستون و جی مایکل کوسترلیز از دانشگاه براون تعلق گرفت. این سه دانشمند در مجموع مبلغ ۹۲۸ هزار دلار آمریکا دریافت نمودند.
تصویری از اعضای کمیتۀ نوبل در هنگام اعلام برندگان نوبل ِ فیزیک ۲۰۱۶
فعالیت های آنان منجر به شکل گیری حجم گسترده ای از تحقیقات در طول سه دهه گذشته شده است و این جایزه ی ویژه، نشان دهنده ی اهمیت روزافزون اکتشاف جدیدشان می باشد که در اثر آن فعالیت ها رقم خورده است. شما احتمالاً با حالت های عادی ماده آشنایی دارید: جامدات، مایعات و گازها. گذار میان این حالات با عنوان “شکستن تقارن” شناخته می شود. برای مثال، اتم ها در یک سیال بصورت یکنواخت کنار همدیگر قرار گرفته اند و شما هرگونه آن را بچرخانید، یکسان به نظر می رسند. با این حال، وقتی مایع به جامد تبدیل می شود، اتم ها در شبکه ای بلورین به دام می افتند.
حالت جدید ماده به این لحاظ تقارن کمتری دارد که اگر در زوایای مشخصی هم چرخانده شود، یکسان و بدون تغییر به نظر می رسد. اما تولس، هالدین و کوسترلیز دریافتند که ماده بسیار جالبتر از این عمل می کند. نحوه وقوع فازهای جدید ماده بدون تغییری در تقارن یکی از مسائل بررسی شده در تحقیقات این سه دانشمند است. آنان برای توضیح این پدیده به ایده های ریاضی تکیه کردند.
آن چیزی که این فاز یا حالت های ماده را متمایز می سازد، ویژگی های توپولوژی (مکان شناسی) آنهاست که نشان از رفتارهایی عجیب مثل الگوهای نامتداول رسانایی الکتریکی دارد. توپولوژی عبارت است از مطالعه ریاضی نحوه ی تغییر شکل مداوم سطوح. سطح پرتقال، نان شیرینی، فنجان قهوه و دونات یکی از معروف ترین این نمونه ها به شمار می آیند. از نظر یک ریاضیدان، تمامی این اشیا از ماده ای شکل پذیر ساخته شده اند که بدون بریدن و چاک دادن بصورت پیوسته تغییر شکل می دهند. بدین ترتیب، پرتقال و نان شیرینی یکسان اند، چرا که ما می توانیم هر دوی آنها را در داخل یک کره قالب ریزی کنیم.
پروفسور تورس هانس هانسن پس از اعلام برندگان نوبل فیزیک معنای توپولوژی را توضیح می دهد
پروفسور تورس هانس هانسن، عضو کمیته فیزیک نوبل، پس از اعلام برندگان نوبل فیزیک معنای توپولوژی را با استفاده از تمثیل توضیح می‌دهد
پس فنجان قهوه و شیرینی دونات هم از دیدگاه یک فیزیکدان عیناً یکسان اند چرا که هر دو دارای یک سوراخ میباشند. فنجان یک سوراخ در دسته اش دارد و دونات یک سوراخ در قسمت مرکزی اش. از دیدگاه انتزاعی، پرتقال و نان شیرینی در دسته ای متمایز جای دارند، در حالی که فنجان قهوه و شیرینی دونات در دسته ای دیگر قرار می گیرند. تفاوت میان آنها در این مسئله خلاصه می شود که آیا دارای سوراخ هستند یا خیر. این ویژگی توپولوژی اشیاست که امکان شکل دادن به آنها را فراهم می آورد. پژوهش های تولس، کوسترلیز و هالدین نقش بسیار مهمی در درک نحوه تاثیرگذاری ویژگی ‘توپولوژی’ در حالت های ماده داشته است.
دانشمندان در دهه‌ی ۱۹۸۰ میلادی دریافتند که الکترون های موجود در پوسته های نازک دو بعدی زمانی که در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار بگیرند، به طرز عجیبی حرکت می کنند. براساس ویژگی مکانیک کوانتومی، این الکترون ها بصورت مرتب در کانال های رساناگر واقع در لبه ی ماده جای می گیرند. با افزایش میدان مغناطیسی، این رسانایی در طی مراحلی گسسته رو به افزایش می گذارد. اثری که از آن به عنوان “اثر کوانتومی هال” یاد می شود.
تولس و همکارانش دریافتند که سطح انرژی این مواد می تواند بعنوان دونات با عبارات توپولوژی توصیف گردد و کانال های انرژی مشاهده شده نشان دهنده ی تعداد سوراخ ها در آن سطح میباشند. پژوهش های بیشتر توسط کوسترلیز و هالدین روی سایر سیستم ها مثل ابررسانایی کانونی و ترتیب پنهان در مواد مغناطیسی نشان می دهد که ایده ی ‘توپولوژی’ می تواند برای پیش بینی رفتار جامدات مورد استفاده قرار گیرد.
وعده های بزرگ
فعالیت های ارزشمند تولس، کوسترلیز و هالدین راه را برای تحقیق در مورد میدان های نوظهور هموار کرده است. اهمیت آنها در حوزه فیزیک حالت جامد که مواد عایق توپولوژیک نامیده می شوند، مشهود است. مواد سه بعدی جدیدی وجود دارند که نیروی الکتریسیته در روی سطح حمل می کنند اما اثری از نیرو در قسمت درونی شان به چشم نمی خورد. سطح انرژی این مواد به کمک ‘توپولوژی’ قابل توصیف است. مواد فوق از کاربردهای اسپینترونیک (Spintronic) بسیاری برخوردارند و بخش سر درایوهای سخت براساس این فناوری هم اکنون در صنعت کاربرد دارد. کاربردهای متعدد این مواد در فناوری به نحوه ی رفتارشان بعد از برانگیخته شدن در اثر انتقال انرژی بستگی دارد.
برندگان نوبل فیزیک ۲۰۱۶، از راست: مایکل کوسترلیتز، دانکن هالدین، دیوید تولس
انگیزش (تحریک) را بعنوان تکانه ای در نظر بگیرید که در رشته ای به حرکت در می آید. وسیله ای که هم اکنون در دست بررسی و مطالعه میباشد، عایقی با خاصیت توپولوژی در بخش فوقانی یک ابر رسانا است. اگر ما این سیستم را به سمت راست جابه جا کنیم، در واسطه میان مواد برانگیخته می شود. این انگیزش ها حامل ویژگی توپولوژی هستند، یعنی همانند سوراخی در شیرینی دونات که در مقابل نویز مقاوم بوده و احتمال پراکنده ساختن رفتار نیرو و جهت وجود دارد.
این اثر در محاسبات کوانتومی بسیار سودمند واقع می شود. بیت های داده ای در کامپیوتر عادی صفر و یک هستند. با این وجود، یک کامپیوتر کوانتومی از بیت های کوانتومی بهره می برد و همین باعث تسریع چشمگیر در فرآیند محاسبات می گردد. با برانگیختن مواد توپولوژیک، اطلاعات رمزگذاری شده در آنها، حفظ و پشتیبانی می شود. این روشی جدید و جالب توجه در حوزه تحقیقات است چرا که می تواند انقلابی در فناوری های پردازش اطلاعات پدید آورد.
منبع: bigbangpage.com - theconversation.com
