Om oss Bli medlem Logga in

Kanelbullar och kvantumvirvlar

10 december, 2016

Illustration: Astrid Olsson

Skribent

Astrid Olsson

Dela detta

Nobelpriset i fysik 2016  tilldelades tre personer. Ena halvan utgavs till David J. Thouless och den andra halvan delades jämt mellan F. Duncan M. Haldane och J. Michael Kosterlitz. De belönades med priset för att teoretiskt ha upptäckt hur materia kan bete sig och förändras under fasövergångar. I framtiden tror man att detta kommer revolutionera el och kvantdatorer.

För att bli tilldelad Nobelpriset i fysik finns det två tillvägagångssätt. Den första är att experimentellt och teoretiskt upptäcka eller undersöka ett fenomen. Den andra är att utforska nya och moderna idéer som gör det möjligt för oss att utforska nya tankebanor. I år utdelades priset till en upptäckt gjord med den andra nämnda metoden. Lita på oss när vi säger att dessa idéer är banbrytande. Men vad är det som är så häftigt då?! Innan vi får lite för mycket av det goda kan vi väl börja med att reda ut några relevanta begrepp.

Vi alla känner till de tre aggregaten; fast form, vätska och gas. Ice, water and steam, baby. Vetenskapsmän har en hemlighet för oss och det är nämligen att det finns fler materiefaser och att dessa kan bete sig väldigt underligt. Årets nobelpristagare i fysik fick pris i grenen kondenserad materiens fysik, för upptäckten av topologiska fasövergångar och topologiska faser inom materia. Detta har gett djupare inblick i kondenserad materiens fysik. Vad är kondenserade materiens fysik? Likt fysiken som krävs för att beskriva skeenden på kvantumnivå, finns även en beteckning på fysik som behandlar kondenserad materia (fasta och till viss del flytande ämnen).

Många vet säkert att när man kokar vatten och höjer temperaturen så bildas vattenånga, men vad är det som egentligen händer? Om du gissade på att det är en fasövergång som sker så har du rätt, men det fascinerande som många forskare studerat är hur dessa egentligen uppkommer. En förklaring är uppkomsten av kvantumvirvlar. Kvantumvirvlar uppkommer  vid låga temperaturer i par.  Vid högre temperaturer sker det förändringar hos kvantumvirvlarna, det är detta fenomen som man förknippar med fasövergångar.  

Vad är topologi? Topologi är en gren inom matematiken där geometriska objekt endast beskrivs utifrån deras former istället för särskilda avstånd. Årets nobelpris i fysik har bland annat fått uppmärksamhet för dess komplexitet och ja, det är sant att begreppet topologi beskrevs med en kanelbulle, en bagel och en svensk pretzel under beskedet av vinnarna till nobelpriset i fysik. Varje bakelse har olika smaker, varvid en kanelbulle är söt och en pretzel är salt, men det en topolog tittar efter när denne undersöker dessa bakelser är hur antalet hål i dessa bakelser ökar med jämna steg. Kanelbullar har inga hål, en bagel har ett hål och en pretzel har två, att beskriva materia på detta vis kallas specifikt för en topologisk invariant.

Och så lite bakgrundsinformation. År 1980 introducerade Klaus von Klitzing det som kallas för Kvantum hall effekten. Det han gjorde var att han tog elektroner i tunna lager vid väldigt låga temperaturer och omringade dem av ett extremt starkt magnetiskt fält. Under experimentet/laborationen upptäckte von Klitzing att konduktiviteten ökade med jämna steg på grund av den låga temperaturen och det starka magnetfältet, relativt till en viss konstant som hade mätts upp till en otrolig preciositet. Det fascinerande var nu hur denna preciositet har kunnat uppstå när experimentet utfördes vid så extrema förhållanden, och det är här som  årets nobelpristagare kommer in i bilden. De förklarade dessa förhållanden med topologiska metoder.

Nu kommer vi till det, vad var det nobelpristagarna i fysik 2016 kom fram till? Jo, de kom främst fram till att de elektriska egenskaperna hos ett material kan undergå fasövergångar. Forskarna har i sin tur forskat med väldigt tunna material. Det är när vi kommer till extremt tunna lager av atomer som dessa kvantumvirvlar uppstår. Antalet virvlar samt utseendet på dem kan beskriva vilka egenskaper materialet har. Forskarna använde på så vis topologiska metoder för att beskriva vad som pågick i dessa material. Pristagarna har lyckats beskriva varför vissa material uppvisar oväntade elektriska egenskaper. Antalet virvlar som uppstod är därför topologiska koncept och dessa virvlar har även en influens på den elektriska konduktiviteten. Denna upptäckt har öppnat nya dörrar för utforskandet av fundamentala egenskaper gällande olika material.

Enligt äldre teorier från 1960-70 talet är det inte möjligt för tvådimensionella vätskor att flöda utan motstånd. Men praktiken visar motsatsen. Det årets nobelpristagare hittade en topologisk förklaring till var varför vissa material vid kalla temperaturer har andra elektriska och magnetiska egenskaper, exempelvis att vissa leder elektricitet utan motstånd och klassas därmed som supraledare. Upptäckten har lett till nya tankar och idéer gällande superkonduktivitet och även kvantdatorer.

Årets Nobelpris i fysik har öppnat upp nya vägar för utmaningar att ta an och utforska. Kunskapen om att undersöka topologiska fasövergångar hos material kan komma att utgöra en stor roll gällande kvantdatorer; förstår vi den fundamentala naturen hos olika material kan vi komma att utveckla exempelvis superdatorer. Vi tackar årets nobelpristagarna i fysik, inte bara för denna fantastiska upptäckt, men även för framtida supercoola datorer (nerd alert).

Skribenter: Alexandra Sandberg och Kimia Dianat