Nobelova cena za fyziku: Cesta k supermateriálům

Tři vědci, ocenění dnes Nobelovou cenou za fyziku svými objevy otevírají cestu k novým materiálům s nečekanými vlastnostmi. Oznámil to v odůvodnění ceny Stockholmský Karolinský institut.

Ve Spojených státech amerických žijící vědci David Thouless (polovina ceny), Duncan Haldane a Michael Kosterlitz (oba po čtvrtinách), se v minulosti zabývali procesy, kterými prochází každá látka při ohřívání nebo chladnutí. Teoretická studia zaměřili zejména na jevy, vznikající na povrchu nebo uvnitř extrémně tenkých vrstev, které mohou být považovány za dvourozměrné (zatímco fyzika běžně popisuje svět ve trojrozměrném prostoru délky, výšky a šířky). Fyzika, která se projevuje v těchto rovinných strukturách se od fyziky, jakou známe v reálném světě kolem sebe značně liší. Je značně ovlivňována zákony kvantové fyziky.

Zatímco v teplotách, jež běžně známe ze svého okolí je kvantová fyzika ukryta v mikroskopickém měřítku náhodných pohybů elementárních částic, v extrémně nízkých teplotách poblíž absolutní nuly (-273 stupňů Celsia) začíná být kvantová fyzika viditelná.

Nejběžnější fáze hmoty jsou plynné, kapalné a pevné látky. Extrémně vysoké nebo nízké teploty však hmotu mění na velmi exotické stavy. Jejich vlastnostem a užitku přicházíme na kloub teprve postupně.Ilustrace Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Science

Při změnách teploty se jedno skupenství látky mění ve druhé. Změnám skupenství se říká fázové přechody. Dobře je známe u vody, kdy se ohříváním uspořádaných molekul ledu mění skupenství na chaoticky se pohybující kapalinu. Dalším zahříváním chaos vzroste do plynné fáze – páry.

Při tomto procesu je velice důležité, že vždy dochází ke změně některé z důležitých vlastností materiálu, jako jsou hustota, tepelná kapacita atp. V takových podmínkách vedle sebe v určitých podmínkách existují dva, někdy i tři fázové stavy současně. Při rychlé změně teploty (např. ochlazováním) je někdy možné tyto stavy „zakonzervovat“ a vytvořit materiály nových, nečekaných vlastností.

Při postupném ochlazování dochází materiály mění vlastnosti jiným způsobem. Například se snižuje elektrický odpor. V případě pevné látky vzniká supravodič. Z kapaliny se stává supratekutina, v níž se roztočený vír nikdy nezastaví. První, kdo systematicky studoval supratekutiny byl už v roce 1930 sovětský fyzik Petr Kapica (Nobelova cena za fyziku v reoce 1978).

Velký objev

Výzkumníci dlouho věřili, že teplotní výkyvy ničí všechno uspořádání hmoty dvojrozměrných vrstvách materiálu, a to i v blízkosti absolutní nuly. Počátkem roku 1970 se ale David Thouless a Michael Kosterlitz setkali v britském Birminghamu a později napadali do té doby platnou teorii. Tato spolupráce vyústila ve zcela nové chápání fázových přechodů a jeden z nejvýznamnějších objevů dvacátého století v teorii fyziky kondenzovaných látek. Jde o takzvaný přechod KT (Kosterlitz-Thoulessův přechod).

Ten se značně liší od běžných fázových přechodů, jaké známe v případě přechodů led-voda nebo voda-plyn. V topologickém fázovém přechodu hrají hlavní roli malé víry v plochém materiálu. Ty tvoří při velmi nízkých teplotách těsné dvojice. Když však teplota stoupá a nastane fázový přechod, víry se najednou rozpojí a „odplouvají“ v materiálu na vlastní cestu.

V topologickém fázovém přechodu hrají hlavní roli malé víry v plochém materiálu. Ty tvoří při velmi nízkých teplotách těsné dvojice. Když však teplota stoupá a nastane fázový přechod, víry se najednou rozpojí a „odplouvají“ v materiálu na vlastní cestu.Ilustrace Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Science

Úžasný důsledek této teorie spočívá v tom, že platí pro různé typy materiálů v malých rozměrech – KT přechod je pro ně univerzální. Metoda se stala užitečným nástrojem, využitelným nejen ve světě kondenzovaných látek, ale také v atomové fyzice nebo statistické mechanice. Platnost teorie se už navíc podařilo i experimentálně ověřit.

Tajemné kvantové skoky

Experimentální vývoj nakonec ukázal, že pro celou řadu nových stavů hmoty neexistuje uspokojivé vysvětlení.

V roce 1980 proto David Thouless a Duncan Haldane představili novou převratnou práci, která zpochybnila dřívější teorie, mimo jiné kvantově mechanickou teorie pro určení, které materiály vedou elektřinu. To bylo velké překvapení. Do té doby platná teorie vznikla už padesát let předtím a věda ji považovala za plně dostačující. O ještě větší překvapení se postaral Thouless roku 1983 když prokázal, že nová teorie lépe vyhovuje v oblastech nízkých teplot a v silných magnetických polích. Zhruba ve stejné době dospěl ke stejným nečekaným závěrům také Duncan Haldane.

Tajemný fenomén, který David Thouless teoreticky popsal pomocí topologie, je takzvaný kvantový Hallův jev. Byl objeven v roce 1980 německým fyzikem Klausem von Klitzingem (Nobelova cena v roce 1985). Studoval tenké vodivé vrstvy mezi dvěma polovodiči, kde byly elektrony podchlazeny na teplotu jen o málo větší, než absolutní nula. Ty pak vystavil silnému magnetickému poli.

Stalo se však něco nečekaného. Když měnil magnetické pole, elektrická vodivost vrstvy se také měnila, ale nikoliv spojitě, nýbrž v krocích. Redukcí magnetického pole se elektrická vodivost nejprve zdvojnásobila, při další změně magnetického pole ztroj a pak zčtyřnásobila. Tyto celočíselné skoky nebylo možné vysvětlit v té době známými fyzikálními zákonitostmi. David Thouless však našel řešení této hádanky pomocí topologie.

Odpověděly hrnky a pneumatiky

Topologie je odvětví matematiky, popisující vlastnosti hmoty, které jsou nezávislé na změně jejího tvaru. Ať objekt protáhnete, zkroutíte nebo zdeformujete, výsledky jsou stejné. Z hlediska topologie proto patří koule a miska do stejné kategorie, neboť kulová hrouda se dá snadno proměnit na mísu. Jakmile se však objekt rozpadne, vztah přestává platit. Pneumatika se středovým otvorem a šálek kávy s otvorem v oušku tak patří do jiných kategorií. Topologické objekty tedy mohou obsahovat jeden, dva, tři nebo čtyři otvory, ale vždy musí jít o celé číslo. A jak se ukázalo, právě řečené je velmi užitečné při popisu elektrické vodivosti nalezené u kvantového Hallova jevu, která se rovněž mění pouze v krocích, které jsou přesnými násobky celých čísel.

Topologie je odvětví matematiky, popisující vlastnosti hmoty, které se mění pouze skokově. S její pomocí ocenění vědci vysvětlili, proč elektrická vodivost v materiálech roste po skocích, které vždy odpovídají celým číslům. Závisí to na „děrách“ v materiálu.Ilustrace Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Science

Poznání tohoto jevu může velmi dobře odhalovat nové vlastnosti materiálů. V kvantové mechanice se totiž nelze podívat na stav jakéhokoliv jednotlivého elementu. Pokud ale sledujeme hromadné chování všech elementů v nějaké makroskopické vlastnosti, můžeme o vnitřní povaze struktury říci mnoho podstatného.

Ve zmíněném kvantovém Hallově jevu se elektrony pohybují relativně volně ve vrstvě mezi polovodiči a tvoří něco jako topologickou kvantovou tekutinu. Jak ale zjistit, že už tento jev nastal? Pouhým měřením jednotlivých elektronů bychom dosáhli stejného efektu, jako bychom chtěli sledováním atomů na povrchu šálku docílit zjištění, zda má šálek ucho a v něm otvor.

Změříme-li ale vodivost celé struktury, získáme obraz o kolektivním chování elektronů. A protože topologie říká, že se vodivost liší v krocích, získáme tak představu o kvantovém chování elektronů a tím i o přítomnosti oné kvantové tekutiny.

Dalším mezníkem v tomto příběhu byl rok 1988, kdy Duncan Haldane zjistili, že topologické kvantové tekutiny mohou vznikat v tenkých polovodičových vrstvách bez přítomnosti magnetického pole. Správnost tohoto teoretického předpokladu se podařilo experimentálně ověřit roku 2014 s použitím atomů, ochlazených téměř až na absolutní nulu.

K materiálům budoucnosti

Později vědci objevili několik dalších neočekávaných topologických stavů hmoty a to nejen v dvojrozměrných vrstvách, s nimiž pracovali ocenění vědci, ale rovněž v běžných trojrozměrných materiálech.

Ukazuje se, že topologické materiály budou užitečné pro nové generace elektroniky a supravodičů, nebo v budoucích kvantových počítačích. Současný výzkum jen odhaluje tajemství hmoty v exotických oblastech, objevených letošními laureáty Nobelovy ceny za fyziku.