Профессор РАН Алексей Рубцов объяснил суть физических открытий, за которые дали Нобелевскую премию по физике 2016

«Исследование вещества в необычных состояниях» - так сформулировано достижение по физике, заслужившее в 2016 году Нобелевскую премию. Лауреатами названы физики Дэвид Таулесc из Университета Вашингтона, Данкан Халдейн из Принстона и Майкл Костерлиц из Университета Брауна, которые развили науку о топологических фазовых переходах, то есть изменении состояния вещества в результате внешних воздействий.

Заслуга вышеназванных ученых состоит в том, что они разработали математические методы для описания необычных фаз и свойств материи, таких, как сверхпроводники, сверхтекучие жидкости и магнитные пленки.

Для того, чтобы понять важность работы лауреатов, надо немного заглянуть в историю сверхпроводимости - явления, проявляющегося у многих химических элементов и сплавов при охлаждении ниже определенной температуры. А именно - они переходят в состояние, в котором их электрическое сопротивление постоянному току полностью отсутствует. Это явление было открыто в 1908 году и произвело настоящий переворот в науке, потому что:

- при сверхнизких температурах ток проходит в сверхпроводниках практически без потерь, а значит, его можно использовать при создании различных коммутационных устройств, приборов для измерения температуры и других устройств нового поколения;

- они идеально подходят для создания электромагнитов, при помощи которых врачи получают магнитно-резонансные томографы для изучения качественные изображения тканей внутренних органов человека в разрезе без травмирования органа;

- на основе свехпроводимости можно создавать поезда на магнитной «подушке», словно летящие над рельсами.

Найдется еще десяток технических новшеств, в основе которых заложена теория сверхпроводимости. Однако вплоть до конца 70-х годов ученые были уверены, что она возможна только в трехмерных веществах, и не может проявляться в двумерных системах, к примеру, в обычных пленках.

- Революцию в данном вопросе произвел в конце 70-х годов Вадим Березинский — наш физик из Института теоретической физики им. Ландау, - рассказывает профессор физического факультета МГУ, руководитель научной группы Российского квантового центра, главный научный сотрудник ВНИИ автоматики, профессор РАН Алексей Рубцов. - Он показал, что сверхпроводимость в пленках все-таки существует, но отличается от сверхпроводимости в трехмерных образцах. Принципиальную роль играют так называемые вихри, которые возникают в пленках в состояниях сверхпроводимости. Эти работы были в последствии продолжены Костерлицем и Таулессом, которые и получили Нобелевскую премию по физике-2016. Березинский , увы, умер, так и не дождавшись этого события, еще в 1980 году.

- Можно подробнее рассказать о вихрях в пленках и как они связаны с тем самым топологическим переходом?

- Вихрь - это некий внутренний ток, возникающий в пленке при охлаждении до состояния сверхпроводимости, некая устойчивая конструкция, которая не исчезает сама по себе. Устойчивость эта как раз и связана с топологией (свойствами вещества, которые меняются скачкообразно). Приведу в пример резиновую камеру: вы можете сколько угодно ее мять, но все равно дырка, имеющаяся внутри, никуда не денется. Точно так же с вихрями — вы можете влиять на них чем угодно: растягивать пленку, прикладывать к ней какие-то поля, но он все равно останется, поскольку обладает топологическим зарядом. Вихрь можно представить также топологическим дефектом.

В последующие годы топология зазвучала еще громче. К Таулессу-Костерлицу примкнул Халдейн, который занимался другой системой, но тоже связанной с топологией.

- Почему в свое время Березинский не получил заслуженную награду?

- Во-первых, потому что умер очень быстро, буквально через несколько лет после открытия. Во-вторых, премию дали только сейчас, когда стало ясно, что топология — это очень важно. Надо отметить, что когда Березинский опубликовал свою работу о математических методах для описания необычных фаз материи в «Журнале экспериментальной и теоретической физики», ее почти никто не понимал. Ее за сложность даже публиковать не хотели. Но потом ее все же пропустили, а на Западе сделали перевод... Кстати топологический переход сейчас так и называется: «Березинский-Костерлиц -Таулесс».

- Все понятия, которые мы с вами сейчас обсуждаем, относятся к квантовой физике. Где они, по-вашему, могут «выстрелить» в ближайшее время?

- Считается, что топологические состояния устойчивы, защищены от внешних воздействий. Так вот, эта защищенность могла бы сослужить хорошую службу квантовым компьютерам (носители которых ужасно неустойчивы — декогерентны). Если бы ученым удалось придумать топологически защищенные носители квантовой информации, это привело бы к радикальному увеличению дальности и эффективности квантовых сетей и криптографии, к новым устройствам обработки квантовой информации.

Источник: http://www.mk.ru