«Топологически защищен»

      Комментарии к записи «Топологически защищен» отключены

«Топологически защищен»

Стали известны лауреаты Нобелевской премии в области физики 2016 года. Ими стали англичане Дэвид Таулесс, Дункан Халдейн и Майкл Костерлиц. В соответствии с официальной формулировке, они стали лауреатами премии «за теоретические открытия топологических фазовых топологических фаз и переходов материи».

Мы обратились за комментарием к Алексею Рубцову, врачу физико-математических наук и начальнику группы «Сильно-коррелированные квантовые совокупности» Российского квантового центра, дабы с его помощью разобраться в сути их открытия.

Алексей Рубцов: Базисным понятием в теории фазовых переходов до конца 1970-х годов был параметр порядка — особая величина, которая будет нулем по одну сторону порядка и не нулем по другую. Ее ввел еще Лев Ландау в 1930 году. К примеру, для ферромагнетиков он представляет собой магнитный момент единицы количества. Переход Березинского — Костерлица — Таулесса, за что по большей части и была дана нынешняя Нобелевская премия, лишен этого параметра в явном виде.

Замечать его возможно, к примеру, в двухслойных сверхпроводниках.

До работ Вадима Березинского считалось, что сверхпроводимость не существует в двумерных совокупностях из-за отсутствия в них фазовых переходов. По данной логике, появлению сверхпроводимости должны были мешать тепловые флуктуации (случайные скачки температуры), каковые разрушали бы любое упорядочение, появляющееся в электронных совокупностях. Березинский осознал, что фазовый переход в таких материалах все-таки вероятен, но достаточно необычный.

Физика этого перехода, согласно точки зрения ученого, была физикой вихрей, каковые рождаются в пленках сверхпроводников.

Речь заходит о вихрях Абрикосова — особых образованиях, каковые нарушают сверхпроводящее состояние. Они являются сверхпроводящий ток, циркулирующий около несверхпроводящего ядра. Через любой таковой вихрь проходит линия магнитного поля, которому в норме не разрещаеться попадать в сверхпроводник.

Эти образования были известны достаточно давно, но оказалось, что именно в узких пленках сверхпроводников они играются решающую роль.

Выше точки сверхпроводящего перехода эти вихри являются неупорядоченный газ. Но в то время, когда температура делается низкой, образуются «молекулы» из пар вихрь-антивихрь. Их поведение больше похоже на жидкость.

Это пара утрированное описание, но оно наглядно показывает, как устроен переход.

Переход между сверхпроводящим состоянием (с парами вихрей) и простым, вызванный ростом температуры. Nobelprize.org

Тут делается ясно, причем тут слово «топология».

N+1: Отметим, что топология — это наука, которая изучает непрерывность (к примеру, в несложном случае, — отсутствие разрывов) и процессы, в которых эта непрерывность нарушается. К примеру, шар возможно постоянным преобразованием, сплющиванием, перевоплотить в диск. Но чтобы сделать из шара тор (либо бублик), нам нужно будет сделать разрыв.

Эти разрывы — весьма устойчивые образования.

Роль разрывов, либо топологических недостатков, в работе Березинского по сути и игрались вихри. Как и отверстие в бублике, вихрь — весьма устойчивая конструкция. Как бы мы ни деформировали, ни растягивали среду, факт наличия вихря в ней весьма тяжело отменить. Березинский осознал роль вихрей и написал в «Издание экспериментальной и теоретической физики» перенасыщенную математическими выкладками статью.

В ней он продемонстрировал, что переход (к примеру, сверхпроводящий) в плоских совокупностях имеется и что его физика — это физика вихрей. Помимо этого, Березинский установил базисные характеристики этого перехода.

Примечательно, что сперва статью отклонили. По-видимому, это первенствовал и беспрецедентный случай в СССР, в то время, когда научный издание отказал автору статьи со словами, что она через чур формальная и непонятная. Но, по счастью, кто-то из корифеев советской физики прочёл ее и настоял на публикации.

Костерлиц и Таулесс прочли эту работу, творчески переработали, и оказалась теория, обрисовывающая переход Березинского — Костерлица — Таулесса, с которого началось победное шествие топологии по теории конденсированного состояния.

N+1: А что именно они дорабатывали?

А.Р.: Березинский в значительной мере был не физиком, а математиком, его работа не была направлена физическому сообществу. Костерлиц и Таулесс разобрались в ней, подобрали верные слова и донесли идеи Березинского до общественности. Может показаться, что всю работу сделал Березинский, а английские физики только добавили технические подробности, но это, само собой разумеется, не так.

Теория топологических фазовых переходов разрешила растолковать не только сверхпроводимость. Так, одним из ее результатов стало объяснение того, как существует сверхтекучесть в узких слоях жидкого гелия, разлитого на какой-либо поверхности. Помимо этого, она используется для описания магнитных особенностей материалов, вектор намагниченности которых лежит в одной плоскости, — это достаточно широкий класс веществ.

Основной экспериментальной проверкой для перехода Березинского — Костерлица — Таулесса стали как раз пленки жидкого гелия. Данный опыт возможно было совершить весьма «чисто», что и было проделано. Эти пленки, как и предвещали физики, владели сверхтекучестью.

N+1: Среди научных результатов Костерлица и Таулесса в объявлении Нобелевского комитета было кроме этого упомянуто объяснение целочисленного квантового результата Холла. Это явление появляется, в то время, когда мы измеряем электростатическое сопротивление двумерного материала и выясняется, что с ростом внешнего магнитного поля оно изменяется скачкообразно. Связано ли оно с топологическими фазовыми переходами?

А.Р.: Речь заходит о пара другой работе. Вихрей в ней нет, не смотря на то, что комплект слов, что ее обрисовывает, достаточно похож. Речь заходит о квантовании Ландау.

В то время, когда хороший электрон летит в плоскости, а перпендикулярно ему направлено магнитное поле, то из-за силы Лоренца он всегда поворачивается и в итоге движется по кругу. В случае если взглянуть на это явление с позиций квантовой механики, то у электронов в таковой совокупности появляется особое число — номер уровня Ландау. 

Любой из таких уровней в плоском примере может нести на себе некое количество электронов, пропорциональное площади примера. Скачки, каковые увидел второй нобелевский лауреат, Клаус фон Клитцинг, появляются, в то время, когда один из таких уровней выясняется всецело заполнен и электроны начинают переходить на новый уровень. Но это только добрая половина истории.

Трансформации топологии совокупности приводят к ступенчатым трансформациям электропроводности. Nobelprize.org

Вторая добрая половина истории еще занимательнее. Она связана с состоянием, в то время, когда один уровень Ландау всецело заполнился, а второй еще не начал заполняться. Это изолятор.

Как сейчас мы знаем, это необыкновенный изолятор. Это первый узнаваемый физике топологический изолятор, у которого свойства волновых функций электронов радикально отличаются от, к примеру, вакуума.

В изоляторе возможно ввести особую чёрта, которая именуется числом Темна. Она равна для топологического изолятора единице, а для вакуума — нулю. Это указывает, что на границе должно что-то происходить.

Оказалось, что не смотря на то, что вся совокупность изолятор, на границе плоской совокупности появляется проводимость. Это связано с тем, что переход от одного изолятора к второму не постоянен.

на данный момент стали известны и другие топологические изоляторы. У этих материалов число Темна также не нулевое, и вследствие этого на границе может протекать электрический ток. Физики обучились изучить эти объекты, и сейчас топологические изоляторы — весьма актуальная тема.

N+1: Для чего необходимы топологические состояния?

А.Р.: Топологические состояния возможно назвать защищенными. В случае если у вас имеется какая-то топологическая черта, то ее весьма тяжело поменять. К примеру, вихрь — он крутится в одну сторону. До тех пор пока вы его полностью не уничтожите, он будет крутиться вправо, а не влево.

Это отлично соответствует требованиям, каковые предъявляются для квантовых компьютеров.

Квантовые совокупности, на каковые надеются эти устройства, должны быть прекрасно защищены от декогеренции — нарушений, которые связаны с внешними сотрудничествами. Исходя из этого исследователи всячески стараются создать носители для квантовых компьютеров, каковые были бы топологически защищены от окружающего мира.

N+1: Мы по большей части говорили о двух лауреатах премии. А вчем состоит вклад Дункана Халдейна?

А.Р.: Его работа также крайне важна для теоретического описания топологических фазовых переходов, но она была сделана позднее. Изучения Халдейна посвящены одномерным спиновым совокупностям — цепочкам магнитных центров. В них имеется похожие явления, связанные со статистикой спинов.

N+1: Возможно ли назвать эту нобелевскую премию неожиданной?

А.Р.: Тема топологии весьма популярна последнее время. В ней трудится большое количество ученых и получено большое количество важных результатов. В том, что сама тема «нобелевского» уровня, нет никаких сомнений. То, что дали отцам основателям, — также, возможно, верно.

Может, позднее еще кому-нибудь дадут.

N+1: Как по-вашему, если бы Вадим Березинский был бы на данный момент жив (физик погиб в возрасте 45 лет, в 1980 году), взял бы он Нобелевскую премию?

А.Р.: Ему ее необходимо было бы вручать прежде всего.

Разговаривал: Владимир Королёв

Интерактивный учебник по информатике


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: