Топологично защитени
Защо беше присъдена Нобеловата награда за физика?
Алексей Рубцов:Основната концепция в теорията на фазовите преходи до края на 70-те години на миналия век беше параметърът на реда - специална величина, която ще бъде нула от едната страна на реда и не е нула от другата. Въведен е от Лев Ландау през 1930 г. Например, за феромагнетици, той представлява магнитния момент на единица обем. Преходът Березински - Костерлиц - Таулес, за който в основата си е дадена сегашната Нобелова награда, е лишен от този параметър в ясна форма. Може да се наблюдава например в двуслойни свръхпроводници.
Преди работата на Вадим Березински се смяташе, че свръхпроводимостта не може да съществува в двумерни системи поради липсата на фазови преходи в тях. Според тази логика, появата на свръхпроводимост е трябвало да бъде предотвратена от топлинни флуктуации (случайни скокове в температурата), които биха унищожили всяка подреденост, която възниква в електронните системи. Березински осъзна, че фазов преход в такива материали все още е възможен, но доста странен. Физиката на този преход, според учения, е физиката на вихрите, които се раждат във филми от свръхпроводници.
Говорим за вихри на Абрикосов - специални образувания, които нарушават свръхпроводящото състояние. Те представляват свръхпроводящ ток, циркулиращ около несвръхпроводящо ядро. През всеки такъв вихър преминава линия на магнитно поле, което обикновено е забранено да проникне в свръхпроводника. Тези образувания са известни отдавна, но се оказа, че именно в тънките слоеве на свръхпроводниците те играят решаваща роля.
Над точката на свръхпроводящ преход тези вихри са неподреден газ. Но когато температурата стане достатъчно ниска, "молекулите" се образуват от двойки вихриантивортекс. Поведението им прилича повече на течност. Това е донякъде преувеличено описание, но ясно показва как работи преходът.
Преходът между свръхпроводящо състояние (с двойки вихри) и обикновено състояние, причинен от повишаване на температурата
Тук става ясно какво общо има думата "топология".
N+1:Припомнете си, че топологията е наука, която изучава непрекъснатостта (например в най-простия случай липсата на прекъсвания) и процесите, при които тази непрекъснатост е нарушена. Например, една топка може да се трансформира в диск чрез непрекъсната трансформация, сплескване. Но за да направим тор (или поничка) от топката, трябва да направим празнина. Тези празнини са много стабилни образувания.
Ролята на прекъсвания или топологични дефекти в работата на Березински по същество се играе от вихри. Подобно на дупка в поничка, вихърът е много стабилна структура. Както и да деформираме или разтягаме средата, наличието на вихър в нея е много трудно да се отмени. Березински разбира ролята на вихрите и написва статия, пренаситена с математически изчисления, в Journal of Experimental and Theoretical Physics. В него той показа, че има преход (например свръхпроводимост) в плоските системи и че неговата физика е физиката на вихрите. Освен това Березински установява основните характеристики на този преход.
Костерлиц и Таулес прочетоха тази работа, творчески я преработиха и резултатът беше теория, описваща прехода Березински-Костерлиц-Таулес, от който започна победоносният марш на топологията над теорията на кондензираната материя.
N+1:Върху какво точно са работили?
Теорията на топологичните фазови преходи позволи да се обясни не само свръхпроводимостта. И така, един от резултатите беше обяснение как може да имасвръхфлуидност в тънки слоеве течен хелий, излят върху повърхност. В допълнение, той се използва за описание на магнитните свойства на материали, чийто вектор на намагнитване лежи в една и съща равнина - това е доста широк клас вещества.
Филмите с течен хелий се превърнаха в основния експериментален тест за прехода Березински-Костерлиц-Таулес. Този експеримент можеше да се проведе много "чисто", което беше направено. Тези филми, както предсказаха физиците, бяха свръхтечни.
AR:Това е малко по-различна работа. В него няма вихри, въпреки че наборът от думи, който го описва, е доста сходен. Говорим за квантуване на Ландау. Когато класическият електрон лети в равнина и магнитното поле е насочено перпендикулярно на него, тогава поради силата на Лоренц той постоянно се върти и накрая се движи в кръг. Ако погледнете това явление от гледна точка на квантовата механика, тогава електроните в такава система имат специален номер - числото на нивото на Ландау.
Всяко от тези нива в плоска проба може да носи определен брой електрони, пропорционални на площта на пробата. Скокове, които бяха забелязани от друг Нобелов лауреат, Клаус фон Клицинг, възникват, когато едно от тези нива е напълно запълнено и електроните започват да се преместват на ново ниво. Но това е само половината история.
Промените в топологията на системата водят до стъпаловидни промени в електрическата проводимост
Втората половина на историята е още по-интересна. Свързва се със състоянието, когато едно ниво на Ландау е напълно запълнено, а другото все още не е започнало да се запълва. Това е изолатор. Както вече знаем, това е необичаен изолатор. Това е първият познат на физиката топологичен изолатор, в който свойствата на вълновите функции на електроните са коренно различнинапример от вакуум.
В изолатора можете да въведете специална характеристика, която се нарича номер на Черн. Тя е равна на единица за топологичен изолатор и нула за вакуум. Това означава, че нещо трябва да се случва на границата. Оказа се, че въпреки че цялата система е изолатор, проводимостта възниква на границата на плоската система. Това се дължи на факта, че преходът от един изолатор към друг не е непрекъснат.
Сега станаха известни други топологични изолатори. Тези материали също имат ненулево число на Chern и поради това електрически ток може да тече през интерфейса. Физиците са се научили да изучават тези обекти и днес топологичните изолатори са много актуална тема.
N+1:Защо имаме нужда от топологични състояния?
AR:Топологичните състояния могат да бъдат наречени защитени. Ако имате някаква топологична характеристика, тогава е много трудно да я промените. Например вихър - върти се в една посока. Докато не го унищожите напълно, той ще продължи да се върти надясно, а не наляво. Това се вписва много добре в изискванията за квантовите компютри.
Квантовите системи, на които разчитат тези устройства, трябва да бъдат добре защитени от декохерентност, нарушения, свързани с външни взаимодействия. Ето защо изследователите се опитват по всякакъв възможен начин да създадат носители за квантови компютри, които да бъдат топологично защитени от външния свят.
N+1:Говорихме главно за двамата носители на награди. Какъв е приносът на Дънкан Холдейн?
AR:Работата му също е много важна за теоретичното описание на топологичните фазови преходи, но е направена по-късно. Изследванията на Халдейн са посветени на едномерни спинови системи - вериги от магнитни центрове. В тяхИма подобни явления, свързани със статистиката на завъртанията.
N+1:Неочаквана ли е тази Нобелова награда?
AR:Темата за топологията е много популярна напоследък. В него работят много учени и са получени много сериозни резултати. Няма съмнение, че самата тема е "нобелово" ниво. Това, което е дадено на бащите основатели, вероятно също е правилно. Може би по-късно ще го дадат на някой друг.
N+1:Според вас, ако Вадим Березински беше жив сега (физикът почина на 45 години през 1980 г.), щеше ли да получи Нобелова награда?
A.R.:Първо трябваше да му бъде дадено.